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压电传感器被放入士兵的靴子
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研究问题 压电换能器能否获得足够的能量，从而对降低体育场馆的能源成本产生重大影响？ 如果是这样的话，体育产业中的压电技术是否有助于促进社会的可持续发展？ 什么是压电？ 压电效应是指“某些材料对施加的机械应力产生电荷的能力”（Nanomotion公司，2008-2015）。这些材料的示例包括晶体结构，如石英、罗谢尔盐、黄玉、电气石、蔗糖、贝里石（AlPO4）、骨、肌腱、丝、珐琅质、牙本质、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、铌酸钾（KNbO3）和铌酸锂（LiNbO3）。这些材料的独特之处在于它们具有自然的压电效应，这意味着当施加机械应力时，会产生电荷。通常，当机械应力不产生时，压电晶体是中性的，这意味着它们的电荷完全平衡。如果搅动压电晶体，正负原子的自然平衡就会被破坏，导致净电荷出现在压电材料的相对外表面上（Woodford，2014）。压电材料也具有反转效应，这意味着当施加电荷时，材料会产生机械应力。 4. 在所做的研究中，单个压电晶体的输出电压通常属于微尺度能量收集方案的范畴。通常与低功耗设备相关。它足以储存在锂电池或电容器中，并能为小型电子设备供电（Dikshit等人，2010年）。工程师们目前正在对压电元件的各种结构进行研究，以产生最大的输出电压，研究涉及使用哪种类型的晶体，在输出端应使用哪种类型的电路，以及压电换能器的各种位置，希望将压电解决方案引入宏观层面（Dikshit等人，2010年）。 压电技术的常见用途可以在标准消费品以及利用人体运动施加的机械应力的创新产品中找到。压电效应的示例如下所示： 发电人行道（Pavegen系统） 总部位于伦敦的技术公司Pavegen Systems最近推出了一种Pavegen瓷砖，它是一种压电瓷砖，可以利用脚步产生的动能。这些瓷砖铺设在机场、学校和火车站等交通繁忙地区的人行道下方。持续的脚步声产生足够的功率为LED照明、手机充电站和瓷砖周围的广告显示供电。他们的17.1×23.6英寸瓷砖每一步的平均功率为7瓦（Alexander，2012）。Pavegen瓷砖的一个间接好处是能够教育感兴趣的公众如何收集和节约能源，这远远超出了节省资金的直接好处。 5. 发电靴或发电鞋（军用） 美国国防部高级研究计划局（DARPA）最近推出了一个创新项目，称为“脚跟打击单元”，在该项目中，一个压电传感器被放入士兵的靴子中，通过简单步骤的机械应力利用电能。军事士兵从这项技术中获得的好处是，他们可以接触到电荷，否则，在隐蔽的环境中就不会有电荷（Howells，2009）。应该注意的是，由于在现役士兵的袜子中安装传感器的舒适度问题，脚跟打击装置尚未通过测试。 人民动力舞蹈俱乐部（瓦特俱乐部） 欧洲的舞蹈俱乐部，特别是荷兰鹿特丹的“瓦特俱乐部”，开始在舞池下方使用压电晶体为其夜总会供电。大部分参加派对的人跳舞时产生的动能产生了大量电能，俱乐部利用这些电能为可变灯光和放大音乐提供动力，使它们运转起来。该项目的优先事项不仅是在组织结构中实施可持续性，而且是向受众传达可持续性的信息。 标准器具和设备 压电换能器也可以在标准器具或设备中找到。在超声设备中，压电换能器将电荷转换为快速机械振动。麦克风中的传感器将声波的振动转化为电荷，然后将电荷放大。在石英表或石英钟中， 6. 来自电池的电能被送入压电晶体，压电晶体引起手部振荡，并由电机控制。在火花打火机、火炉或烧烤炉中，按下开关会对压电陶瓷施加压力来自电池的电能被送入压电晶体，压电晶体引起手部振荡，并由电机控制。在火花打火机、火炉或烧烤炉中，按下开关会对压电晶体施加压力，从而产生机械冲击并产生火花。 因此，我们每天都会使用大量利用压电效应的设备，以及许多有潜力使压电技术成为主流的新兴产品。 能收获多少能量？ 作为人类，我们被认为是行走的灯泡；我们有能力创造各种能量，否则这些能量就会流失到环境中。我们通过身体热量产生热能，通过声音产生声能，通过运动产生动能。在这项研究中，我将关注动能，以及运动项目中人体部件施加的机械应力能产生多少能量。 运动员产生的动能 在Pavegen Systems的研究中，压电瓷砖从一个150磅重的步行者身上平均每英尺产生7瓦的电能（Alexander，2012），其强度足以为LED照明和小型电子设备供电。表1显示了备用和主动模式下各种电子通信装置的功耗比较。 7. 表1：各种通信设备的功耗 产品 蓄电池电压（V） 备用模式（W） 主动模式（W） 手机 锂离子电池（3.6） 0.042 1.7 双向通信器 3-AA电池（4.5） 0.158 0.675 传呼机 1-AA电池（1.5） 0.023 0.03 然而，施加的力是可变的，因为它取决于该步骤产生的力和动能。力和势能的线性运动学方程如下所示。𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹=𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀∗𝐴𝐴𝐴 𝐴 𝐴 𝐴𝐴𝐴 𝐴 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐴𝐴 𝐾𝐾𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐾 𝐸𝐸𝐸 𝐸 𝐸𝐸𝐸𝐸=12𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀∗𝑉𝑉𝑉 𝑉 𝑉 𝑉 𝑉 2. 受试者产生的力和动能的大小取决于受试者的质量和速度（Birnbaum，1999）。如果在运动表面下方输入压电传感器，则是指在一项赛事中，由多名专业运动员在运动场上产生的一致的步法，以及由那些不是步行而是短跑、跑步、跳跃和加速的运动员产生的力的组合，将产生大量的动能，可以转化为可再生能源。已经进行了大量的研究来量化力的大小 8. 由运动员在比赛中产生，并且所有的产量都是他们体重的3.5到7倍（Birnbaum，1999）。 大量的生物力学研究已经证明，跑步，更不用说专业运动员跑步了，产生的力量比个人走路要大。产生的力的杠杆点是施加力的速度（Hart，2011）。南卫理公会大学体育科学教授彼得·维扬（Peter Weyand）对奥运会短跑运动员乌塞恩·博尔特（Usain Bolt）进行了一项研究，并将乌塞恩·博尔特的脚踩在地上的时间与普通人跑步的时间进行了比较。一个普通人的脚在地上的时间约为.12秒，而乌塞恩·博尔特的脚在地上的时间为.08秒，相差33%，这会对产生的力产生倍增效应（哈特，2011）。奥运会运动员最大化每一步的输出，可以施加超过1000磅的力量，而普通人短跑的力量为500磅（Hart，2011）。 美国物理教师协会进行的另一项研究比较了在测力板上站立、行走和跑步，并通过波频图记录了比较结果。这项研究得出结论，跑步比走路产生的力量更大，因为没有双脚落地的时间，双脚在地面上的时间更短，每一步在地面上的时间更短（Cross，1999）。这导致在较短的时间单位内产生较大的力变化，在给定时间序列的情况下，每一步产生较大的总力和总力。 9 人群噪声产生的振动能量 目前正在翻新和建造体育设施，以放大人群噪音，而不是获取声能，而是作为主队的竞争优势和加强球迷体验（Reed，2014）。克利夫兰布朗队的主场第一能源体育场（FirstEnergy Stadium）投资1.2亿美元进行物理和技术改进，希望保持体育场内的声音。在大多数体育项目中，球迷们以一贯的大声喧哗和破坏性而自豪，创造了“主场优势”。2011年，华盛顿州西雅图的世纪连接场曾一度产生137.6分贝的噪音，足以引发一场小地震（Memmott，2013）。压电换能器可以在体育场周围输入，以收集风扇轰鸣产生的声能，从而振动压电体
 
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