張 立 王幫峰 周 勇

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.南京信息工程大學(xué)，南京，210044

0 引言

壓電式合成射流驅(qū)動器作為一種近年來提出的主動控制技術(shù)而被各國軍方和相關(guān)政府部門及科研機(jī)構(gòu)所高度重視［1］，成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。Utturkar 等［2］、Morel－ Fatio 等［3］、Bailo等［4］、Calkins等［5］分別對其從射流原理、應(yīng)用效果、驅(qū)動器設(shè)計(jì)和測試與評價(jià)系統(tǒng)等方面進(jìn)行了研究。

制約壓電式合成射流驅(qū)動器廣泛使用的一個(gè)主要因素就是其驅(qū)動控制能力較弱，而壓電式合成射流驅(qū)動器與壓電式紙盆揚(yáng)聲器在結(jié)構(gòu)上卻有著諸多相似之處。為了增強(qiáng)驅(qū)動器的驅(qū)動能力，本文提出將壓電式揚(yáng)聲器的紙盆結(jié)構(gòu)引入到壓電式合成射流驅(qū)動器的設(shè)計(jì)中來，并用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了這種應(yīng)用對壓電式合成射流驅(qū)動器有積極的影響。

1 紙盆式壓電合成射流驅(qū)動器

壓電式合成射流驅(qū)動器的基本組成元件是一個(gè)腔體和振動材料。振動材料由壓電材料驅(qū)動，一般使用PZT5A型壓電片。傳統(tǒng)的振動材料是厚度小于0.1mm的金屬薄膜，周圈通過夾持或者粘接固定于腔體一面。當(dāng)壓電片受周期性信號激勵時(shí)，振動薄膜做周期性往復(fù)運(yùn)動，使得腔體內(nèi)氣體通過開孔擠出或吸入。擠出的氣體和周圍靜止氣體之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力形成渦旋，在自引作用下脫離腔體運(yùn)動。當(dāng)處于吸入狀態(tài)時(shí)，孔周圍氣體吸入腔體，前半周期擠出的氣體由于已遠(yuǎn)離腔體而不再受影響。如此反復(fù)，合成射流形成。原理如圖1所示。

圖1 壓電合成射流驅(qū)動器原理圖

從壓電合成射流驅(qū)動器的原理可知：驅(qū)動器的振動膜由于振動而使得腔體體積產(chǎn)生的變化量對合成射流強(qiáng)度的影響是非常顯著的。如果能通過改進(jìn)振動膜，增強(qiáng)振動，使得驅(qū)動器體積變化量增大，那么驅(qū)動器所產(chǎn)生的射流強(qiáng)度即會有效增強(qiáng)。而揚(yáng)聲器的紙盆結(jié)構(gòu)本身也是壓電片與振動膜的組合結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到合成射流驅(qū)動器中，對驅(qū)動器的性能起到了積極的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 驅(qū)動器試件制作

為了考察采用了紙盆結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器的實(shí)際驅(qū)動效果，驅(qū)動器試件按如下方式制作：試件由三層組成，上層為中心打孔的有機(jī)玻璃板（聚甲基丙烯酸甲酯）；中間層同樣為有機(jī)玻璃板，但中間切割出圓柱型腔體；最下層為揚(yáng)聲器所用的紙盆與壓電片。各層之間通過環(huán)氧樹脂膠緊密粘合。試件幾何參數(shù)如圖2所示，試件尺寸如表1所示。

圖2 試件幾何參數(shù)

表1 驅(qū)動器試件的幾何尺寸參數(shù) mm

2.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由信號發(fā)生器、功率放大器、熱線探針、壓差補(bǔ)償式風(fēng)速儀、PC機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。信號發(fā)生器（GWGFC8016G）產(chǎn)生正弦交流信號；功率放大器（KROHN－HITE7602）將正弦信號放大至Vp－p＝40V后施加于試件上；當(dāng)驅(qū)動器工作時(shí)，熱線風(fēng)速儀（TSI100）將產(chǎn)生的壓差信號傳遞給PC機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在測量過程中，熱線探針始終垂直于試件風(fēng)速出口平面，并由三向定位系統(tǒng)定位。使用基于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號經(jīng)過與標(biāo)定值對比，可得到實(shí)際驅(qū)動器的出口風(fēng)速。整個(gè)測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

3 測試結(jié)果與分析

3.1 時(shí)均速度頻率響應(yīng)

首先在試件出口中心法線上距離試件一倍孔徑處定位熱線探針，測得驅(qū)動器試件在激勵頻率為0～3500Hz范圍內(nèi)出口時(shí)均速度曲線如圖4所示。

圖4 時(shí)均速度頻響曲線

時(shí)均速度頻響曲線分為三個(gè)區(qū)域：0～1000Hz為低頻區(qū)、1000～2500Hz為中頻區(qū)、2500Hz之后為高頻區(qū)。在低頻區(qū)與高頻區(qū)都出現(xiàn)了峰值點(diǎn)，分別為12.7m／s與21m／s，而在中頻區(qū)，射流速度平穩(wěn)增長，穩(wěn)定在15m／s左右。顯然這比普通壓電合成射流驅(qū)動器最大不足10m／s的時(shí)均速度相比，有了明顯的提高［6－7］。

3.2 各區(qū)域峰值處射流

為了分析驅(qū)動器試件在各區(qū)域不同的性能表現(xiàn)，取各區(qū)域峰值頻率處風(fēng)速隨時(shí)間變化的曲線如圖5所示。圖中，取樣頻率為10kHz，取樣時(shí)間為0.05s，縱坐標(biāo)最大值都為70m／s。

圖5 各峰值頻率處時(shí)間響應(yīng)曲線

如圖5a所示，在低頻區(qū)峰值點(diǎn)760Hz處，驅(qū)動器振動一周期內(nèi)可以明顯地分辨出吸入階段與噴出階段：在吸入階段，出口周圍各方向的氣體都被吸入腔中，故這半周期的最大速度較小；當(dāng)處于噴出階段時(shí)，由于氣體全部沿出口中心法線方向向外噴出，氣流相對吸入階段要集中得多，故在這半周期最大速度要大。同時(shí)由于用于測量的熱線探針只能測量標(biāo)量值，并不能反映射流的方向，而合成射流在出口處由于剪切作用明顯，形成的渦環(huán)速度方向并非完全垂直于出口平面，所以在每半個(gè)周期內(nèi)，速度曲線并沒有呈現(xiàn)出嚴(yán)格的對稱性。

在中頻區(qū)，驅(qū)動器射流增長穩(wěn)定，從處于1883Hz最大時(shí)均風(fēng)速處的時(shí)間響應(yīng)曲線（圖5b）可以看出：噴出階段速度的最大值要比低頻區(qū)高，然而同一周期內(nèi)處于峰值點(diǎn)周圍的時(shí)間要比低頻區(qū)峰值點(diǎn)處要短，所以反映在時(shí)均速度曲線上，低頻區(qū)峰值點(diǎn)處時(shí)均速度與中頻區(qū)的時(shí)均速度相差不大；在中頻區(qū)，每半個(gè)周期內(nèi)，出口射流速度方向改變開始變得頻繁，產(chǎn)生的渦環(huán)速度較小，不再被熱線探針?biāo)兄运俣惹€呈現(xiàn)出較好的對稱性，并且同樣可以明顯地辨別出吸入階段與噴出階段。

在高頻區(qū)，如圖5c所示，2580Hz處，由于此處頻率最高，所以出口處速度變化最為劇烈，同一周期內(nèi)，在熱線探針?biāo)幍奈恢?，?dāng)驅(qū)動器噴出的射流還未被吸入階段完全削弱掉時(shí)，新周期的噴出階段又開始了，即在時(shí)間響應(yīng)曲線上吸入周期已經(jīng)消失，同時(shí)由于受這種周期性劇烈變化的影響，峰谷處時(shí)間縮短，這樣從時(shí)均曲線上來看，這里時(shí)均速度最高。

3.3 周期內(nèi)最大速度頻率響應(yīng)

取圖5中各頻率點(diǎn)每周期內(nèi)最大速度值，得到驅(qū)動器最大速度頻率響應(yīng)曲線如圖6所示。與圖4時(shí)均速度曲線相比，兩曲線形狀相似，同樣可分為高中低三個(gè)頻率區(qū)域。然而最大速度頻響曲線在低頻區(qū)的峰值速度即達(dá)到57m／s，而在高頻區(qū)增加到71m／s，增幅只有不足25%；圖4中，高頻區(qū)速度峰值比低頻區(qū)速度峰值增幅則達(dá)到65%。結(jié)合圖5可知，最大峰值速度在各區(qū)域雖差距不大，但隨著頻率的增大，驅(qū)動器有效射流時(shí)間延長，時(shí)均速度顯著增大。

圖6 周期內(nèi)最大速度頻響曲線

圖7是一個(gè)較為典型的壓電合成射流驅(qū)動器的速度頻率響應(yīng)曲線圖。其使用的驅(qū)動器尺寸為開孔：35.5mm×0.5mm，腔體：57mm×57mm，壓電片直徑：25mm，厚度：0.14mm。相比較于使用紙盆結(jié)構(gòu)，首先其頻率響應(yīng)范圍要窄（小于1500Hz）；其次，最大峰值速度vmax小于60m／s，顯然比紙盆結(jié)構(gòu)要??；而平均速度vmean除在200Hz時(shí)能達(dá)到10m／s外，隨頻率升高，速度幾乎為0。由此可見，采用紙盆結(jié)構(gòu)的壓電式合成射流驅(qū)動器可以有效增強(qiáng)驅(qū)動能力。

3.4 沿開孔中心法線上射流強(qiáng)度分布

當(dāng)熱線探針沿驅(qū)動器出口中心法線向遠(yuǎn)離出口平面方向移動時(shí)，測得射流時(shí)均速度沿法線分布如圖8所示。

圖7 文獻(xiàn)［6］中的最大速度頻響分布

圖8 時(shí)均速度沿開孔中心法線分布

驅(qū)動器試件的孔徑是2mm，在距離出口2～20mm，即10倍于孔徑長度的距離內(nèi)射流強(qiáng)度減弱得很快，而當(dāng)大于10倍孔徑的距離時(shí)，射流的衰退趨于平緩。這與文獻(xiàn)［7］中傳統(tǒng)的壓電射流驅(qū)動器出口射流的特征相似（見圖9）。該驅(qū)動器開口直徑為0.5mm，孔深5mm，驅(qū)動器腔體體積為40mm×40mm×1.42mm（圖中y為出口距離，d為孔徑）。由于熱線探針直徑只有5μm，較容易損壞，在實(shí)驗(yàn)時(shí)未能貼近出口，暫未發(fā)現(xiàn)如圖9中所示的出口附近速度反而下降的現(xiàn)象。從射流法向分布來看，紙盆結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器和傳統(tǒng)驅(qū)動器有著相似的特性，而開孔附近可達(dá)21m／s的速度，在距離達(dá)到15倍孔徑范圍時(shí)，時(shí)均速度依然有5m／s，顯然其驅(qū)動能力得到大大增強(qiáng)。

圖9 文獻(xiàn)［7］中時(shí)均速度沿開孔中心線分布

4 結(jié)語

本文將揚(yáng)聲器紙盆結(jié)構(gòu)引入到壓電式合成射流驅(qū)動器中來，用實(shí)驗(yàn)的方法測試了其性能。結(jié)果顯示，驅(qū)動器在頻響各區(qū)域射流特征不同，頻率越高，正向射流越強(qiáng)烈；無論是從時(shí)均速度頻響曲線還是從最大速度頻響曲線上看，采用了紙盆結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器驅(qū)動性能都有明顯的提升；同時(shí)射流下游影響范圍也有明顯增大?？傮w來看，將紙盆結(jié)構(gòu)引入到驅(qū)動器的設(shè)計(jì)中來得到了較好的效果，今后可對其進(jìn)一步研究。

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