聲學黑洞融機械結構助減振 淡江覓綠色回收新突破
【記者林婷妤報導】機械結構設計千變萬化,仍免不了出現振動問題。淡江大學航空太空工程學系教授王怡仁與淡江航太系碩士生余陳彥,共同發表「基於聲學黑洞理論之彈性樑應用於複合式彈性鋼片減振及獵能系統」,研究提出了兼具減振與能量回收,且產生電能的結構設計,為綠色回收提供關鍵突破,也於「2025中華民國航空太空學會第六十七屆年會暨學術研討會」奪得最佳論文獎第一名。 飛行器或機械元件在運作時,常受到風場擾動、其他機械等振動來源影響,若振動累積過大,將造成結構疲勞,進而影響機械壽命,因此,製作出減振結構就成了機械設計的重點。臺灣過去有研究嘗試將振動減輕,或者將振動能量用來發電,但卻發現兩者間有矛盾之處。王怡仁表示,傳統上如果要讓壓電材料產生電能就需要大幅度振動,反而無法讓結構減振,「你要讓它抖很大發電,那主體不是就壞了嗎?」然而,團隊卻利用了聲學黑洞原理(Acoustic Black Hole, ABH),突破了以往限制。 王怡仁解釋,原理關鍵在於須將機械結構中的橫樑,切削出符合特定數學函數曲線的凹槽,使厚度由厚變薄,當振動從厚的一端傳遞至越薄的區域時,波速會逐漸變慢,且因為能量守恆,振幅也相對增大,「能量就被集中在較薄尖端部分,它就沒辦法回傳,就好像振動波掉入黑洞一樣。」團隊設計出分層的機械結構,上層為橫樑,下層則為類似飛機或火車中的隔板,並以彈簧將兩者連接,形成可傳遞振動的系統,再將壓電材料 (註一)固定在橫樑尖端,使被集中的振動能量能轉成電能,再透過電線連接LED燈,驗證其是否發亮。
註一:主要由特殊陶瓷或高分子聚合物製成,可透過施加力產生電壓,反之也能通電讓其變形。
王怡仁進一步表示,目前研究已透過理論與實驗證明,顯示振動振幅可降低約30至40%,電壓也從自己過去研究的0.3至0.5伏特,提升1至3.5伏特,他也認為,設計未來能應用於無人機、衛星板件等存在持續振動問題的系統,並把產生的電能用於小型警示燈,整合成結構的健康監測系統。國立成功大學航空太空工程學系助理教授李孝威則說明,傳統上需附加阻尼才能達到減振,但反而會增加額外重量,因此他認為結構以非外加方式實現減振十分特殊。他也補充,過去在製作結構健康檢測系統時,往往需要額外電源,增加重量負擔,「那它(結構)基本上能發電,又可以轉化能量,可以說是一石二鳥。」
回顧研究歷程,王怡仁坦言整個過程相當耗時,「必須透過理論、數值分析、軟體模擬,還有實驗,4個環節要把它相互交叉驗證,讓誤差設定到5%內。」他也肯定余陳彥在理論推導上的投入,由於研究需要先求出結構的振動模態函數(註二),才能進行後續的數值分析等工作,而余陳彥則花費一年推導出函數,讓研究得以推進。對此余陳彥分享,他先從原始公式出發,再加入結構厚度變化條件進行推導,平時也會多參考國外文獻,「剛好有看到一個方法,最後也讓我成功解出來了。」
註二:指描述任何結構在不同頻率下如何振動的數學公式,找到此函數便能預測結構振動模式。
談及對研究後續延伸,王怡仁表示,未來打算將ABH結構應用於火箭減振設計,他指出,由於火箭主體細長,不同安裝位置會造成減振效果差異,因此未來將引入AI進行大數據分析,以降低人力成本與縮短設計時間。王怡仁補充,因波蘭的火箭發射成本較國內便宜,團隊近期也已提出合作申請,期望結合雙方技術,協助團隊進行數據蒐集,找出最佳化的減振配置。余陳彥則認為,半導體設備對微小振動非常敏感,因此他希望能優先應用於相關設備,以提升產品良率,期盼未來也能拓展至更多產業。