鄒華杰， 張 波， 陳荷娟， 張江華， 王澤平

(1. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

隨著彈丸和戰(zhàn)斗部的小型化發(fā)展趨勢，電子化、智能化程度越來越高，越來越需要電磁兼容性好的小型物理電源，各種復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的電子系統(tǒng)(或微電子系統(tǒng))也需要持續(xù)自供電或作為其他能源的補(bǔ)充電源，因此，引信振動壓電發(fā)電機(jī)具有極大的應(yīng)用前景，它是一種利用彈丸飛行中產(chǎn)生的相對迎面氣流發(fā)電引信物理電源,因其振源的外部激勵(lì)來自氣流,故也稱氣流激振壓電發(fā)電機(jī)。如果能夠通過提高振動壓電發(fā)電機(jī)的驅(qū)動性能來增加其輸出功率，將是一個(gè)壓電發(fā)電機(jī)提高輸出功率的新途徑。

對于振動壓電換能器來說，根據(jù)“頻率泵浦”設(shè)計(jì)思想[1]，較高振動激勵(lì)頻率，有利于提高輸出功率，這對解決引信物理電源體積與功率矛盾有利。為此，課題組在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上提出了一種利用彈丸飛行過程中的迎面氣流來發(fā)電的小型氣流激振壓電發(fā)電機(jī)方案，該發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、振動頻率高且沒有活動部件等特點(diǎn)，適合小口徑引信彈載物理電源。并且對該方案做了如下的相關(guān)研究：何鵬等[3-4]對發(fā)電機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)流場進(jìn)行了分析；Li[5]對噴注流場中旋渦脫落過程進(jìn)行了分析；鄒華杰等[6-7]對發(fā)電機(jī)中聲管固定方法進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于環(huán)形噴嘴—共振腔結(jié)構(gòu)的氣流致聲激振機(jī)構(gòu)；通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)對其氣流致聲激勵(lì)特性進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了其作為氣流激振壓電發(fā)電機(jī)激振裝置的可行性。

關(guān)于這類氣流激振壓電發(fā)電機(jī),國內(nèi)有些學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究。李映平對振動式壓電換能機(jī)理、壓電換能器的固有頻率以及振動壓電發(fā)電的原理性試驗(yàn)等進(jìn)行了相關(guān)的研究。黎暉等[8]僅對這種氣流激振壓電發(fā)電機(jī)的壓電片和諧振腔的固有頻率進(jìn)行了推導(dǎo)。雷軍命[9]在李映平研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了直徑為34 mm的換能器，研究壓電振子的諧振特性，對氣流激振壓電發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出功率進(jìn)行了簡單試驗(yàn)研究。徐偉等[10]結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)技術(shù),提出了一種引信用MEMS氣流諧振壓電發(fā)電機(jī),并通過流-固耦合分析和壓電仿真分析,對壓電片的振動位移響應(yīng)以及發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行了研究。但是以上文獻(xiàn)都是針對這種氣流激振壓電發(fā)電機(jī)的壓電換能進(jìn)行了研究,然而關(guān)于其激振力以及輸出特性方面，尤其是關(guān)于振動頻率方面卻很少有相關(guān)的研究報(bào)告。

為此，本文建立了測量小型氣流激振壓電發(fā)電機(jī)輸出特性的試驗(yàn)系統(tǒng)，對已加工的原理樣機(jī)進(jìn)行模擬吹風(fēng)試驗(yàn)研究，測量并記錄發(fā)電機(jī)的激振力、輸出電壓，并對振動頻率、輸出功率以及能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行詳細(xì)分析，為進(jìn)一步研究小型氣流激振壓電發(fā)電機(jī)提供支持。

1 氣流激振壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

氣流激振壓電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。由氣流致聲激振機(jī)構(gòu)和壓電換能器所組成。氣流致聲激振機(jī)構(gòu)主要由環(huán)隙、噴注及共振腔(壓電換能器封閉末端)組成。其中，環(huán)隙是由進(jìn)氣道和阻塞構(gòu)成；噴注是彈丸飛行時(shí)的迎面氣流(即入流)進(jìn)入環(huán)隙出來后得到的穩(wěn)定渦流[11]，噴注遇到共振腔口部的邊棱(尖劈)產(chǎn)生擾動而形成邊棱音。噴注邊棱音是典型的反饋氣流聲源，它的作用恰恰可以彌補(bǔ)噴注氣流的損失，放大氣流機(jī)械能。和風(fēng)吹聲不同的是反饋在這里起主要作用，由噴口發(fā)出的高速噴注在空腔內(nèi)(共振腔前端)靜止的空氣中通過時(shí)，噴注的邊界上因高速流與靜止介質(zhì)的接觸，不斷產(chǎn)生旋渦[12]，并向前推動，因而噴注不斷變寬，一部分遇到共振腔口部(邊棱)時(shí)發(fā)生反射回到噴口，激發(fā)更多旋渦；一部分進(jìn)入共振腔內(nèi)激發(fā)其腔體振動，并在底部(剛性底部)反射回噴口。在聲源處(共振腔口部)同時(shí)存在正、負(fù)向聲波，如果它們同相則振動加強(qiáng)，即在共振腔內(nèi)形成駐波，可以產(chǎn)生頻率主要由共振腔長度決定的聲波，共振腔底部聲壓最大(壓力波的波腹)[13]。共振腔底部聲壓(即激振力)驅(qū)動壓電換能器振動，輸出電能，實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換。

圖1 氣流激振壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Scheme of airflow vibration piezoelectric generator

2 試驗(yàn)裝置和方法

2.1 試驗(yàn)裝置

模擬彈丸飛行環(huán)境時(shí)，忽略了溫度、濕度以及來流等因素的影響，僅模擬了管內(nèi)流的壓力或速度環(huán)境。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣源模擬系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)、電學(xué)測量系統(tǒng)以及試驗(yàn)試件等組成，如圖2所示。氣源模擬系統(tǒng)主要由氣罐、減壓閥和流量計(jì)組成。電學(xué)測量系統(tǒng)由負(fù)載電路，示波器以及數(shù)據(jù)記錄儀組成。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.2 The experimental system diagram

小型氣流激振壓電發(fā)電機(jī)試驗(yàn)試件由進(jìn)氣道、環(huán)形噴口、共振腔、壓電換能器以及蓋板所組成，實(shí)物分別如圖3(a)～圖3(e)所示。共振腔的內(nèi)徑為φ10 mm；壓電換能器由φ12 mm銅片和φ9 mm PZT-5H融合而成，厚度分別為0.2 mm；試件總體的尺寸為φ14 mm×15 mm。通過蓋板，使壓電換能器固定在共振腔底部，并形成周邊固定邊界條件。在此固定方式下，用阻抗分析儀測得壓電振子的固有頻率約為14 kHz。

圖4所示為試驗(yàn)照片。試驗(yàn)時(shí)，打開氣罐，通過減壓閥來調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的氣流大小，并通過流量計(jì)監(jiān)測流量值；氣流進(jìn)入試件后，由氣流激振機(jī)構(gòu)產(chǎn)生激振力，驅(qū)動壓電換能器振動產(chǎn)生電壓；分別用壓力傳感器和示波器測量激振力與輸出電壓，并用數(shù)據(jù)記錄儀對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

圖3 試驗(yàn)試件Fig.3 Experiment sample

(a)激振力測量

(b)電壓測量圖4 試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Experiment picture

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所選取的氣源流量范圍為100～300 L/min，對應(yīng)試件入口處的氣流速度V與流量Q之間的表達(dá)式為

V=Q/S

(1)

式中：V為氣流速度；Q為流量；S為截面積。

另外，當(dāng)負(fù)載電路與壓電換能器的輸出端相連接時(shí)，負(fù)載兩端的功率可定義為

Pe=U2/R

(2)

式中：U為負(fù)載兩端輸出電壓的均方根值(有效值)；R為負(fù)載阻值大小。負(fù)載電阻兩端的功率即為發(fā)電機(jī)的輸出功率，本文中負(fù)載阻值分別取0.1 kΩ，1 kΩ，3 kΩ，5 kΩ，7 kΩ，10 kΩ，20 kΩ。

表1 流量Q 與環(huán)形噴口入口處氣流速度V 以及壓力P 的對應(yīng)關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 激振力

由發(fā)電機(jī)的工作原理可知，共振腔底部聲壓即為發(fā)電機(jī)的激振力。圖5(a)～圖7(a)為不同氣流速度

圖5 V=53 m/s時(shí)共振腔底部聲壓Fig. 5 The curve of sound pressure with V=53 m/s

圖6 V=106 m/s時(shí)共振腔底部聲壓Fig. 6 The curve of sound pressure with V=106 m/s

圖7 V=159 m/s時(shí)共振腔底部聲壓Fig. 7 The curve of sound pressure with V=159 m/s

V時(shí)共振腔底部的聲壓曲線，聲壓曲線比較穩(wěn)態(tài)，近似正弦波形；經(jīng)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)得到相對應(yīng)的頻譜曲線見圖5(b)～圖7(b)所示，頻率峰值比較單一。

聲壓峰峰值與流速呈現(xiàn)線性關(guān)系，如圖8所示。隨流速的增大而增大。在流速為159 m/s時(shí)，試驗(yàn)測得最大值為70 kPa；在流速為53 m/s時(shí)，試驗(yàn)測得最小值為10.2 kPa。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的曲線見圖中虛線所示，擬合曲線的誤差均方差為3.6，其表達(dá)式可表示為

Ppp=0.56V-17

(3)

式中：Ppp為聲壓峰峰值；V為入流速度。

圖8 聲壓峰峰值與流速的關(guān)系Fig.8 Relationship between sound pressure and velocity

激振力頻率與流速的關(guān)系，如圖9所示。在所研究的流速范圍內(nèi)，頻率都處于共振腔的第一階共振頻率(如圖9中虛線所示)附近，驗(yàn)證了共振腔的頻率俘獲特性。頻率隨著流速的增大而微小增大，流速為53 m/s時(shí)，聲壓頻率為5.67 kHz；流速為159 m/s時(shí)，聲壓頻率為6.15 kHz；其相對頻率變化誤差在9%內(nèi)，頻率對流速不敏感。由氣流激振壓電發(fā)電機(jī)工作原理可知，共振腔內(nèi)的穩(wěn)定駐波聲場是由動態(tài)的旋渦脫落激勵(lì)所形成的，隨著流速增大，旋渦脫落的頻率稍微增大，使得共振腔內(nèi)的穩(wěn)定駐波聲場的頻率也微小增大，

從而形成了圖9中所示曲線。

圖9 聲壓頻率與流速的關(guān)系Fig. 9 Relationship between the frequency of sound pressure and velocity

3.2 開路電壓

開路(不接負(fù)載)時(shí)，在不同入流速度V下，數(shù)據(jù)記錄儀采集的發(fā)電機(jī)輸出電壓隨時(shí)間的變化曲線，如圖10～圖12所示。由圖可知，在所研究的流量范圍內(nèi)，輸出電壓波形都呈現(xiàn)正弦曲線，幅值都比較穩(wěn)定。在入流速度為53 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓上、下峰值分別為3.7 V和-2.9 V，有效值為2.3 V，如圖10所示。在入流速度為106 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓上、下峰值分別為23.3 V和-17.6 V，有效值為14 V，如圖11所示。在入流速度為159 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓上、下峰值分別可達(dá)36 V和-30 V，有效值為22 V，如圖12所示。

輸出電壓有效值與流速的關(guān)系，如圖13所示。從圖13可知，輸出電壓與流速呈線性關(guān)系，且輸出電壓隨著速度的增大而增大。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的曲線見圖13中虛線所示，擬合曲線的誤差均方差為0.76，其表達(dá)式可表示為

Urms=0.19V-7

(4)

式中：Urms為輸出電壓有效值；V為入流速度。

圖10 V=53 m/s時(shí)，輸出電壓曲線Fig. 10 The curve of output voltage with V=53 m/s

圖11 V=106 m/s時(shí)，輸出電壓曲線Fig. 11 The curve of output voltage with V=106 m/s

圖12 V=159 m/s時(shí)，輸出電壓曲線Fig. 12 The curve of output voltage with V=159 m/s

圖13 輸出電壓有效值與流速的關(guān)系Fig.13 Relationship between output voltage and velocity

對輸出電壓曲線進(jìn)行FFT變換后，輸出電壓頻率與入流速度的關(guān)系，如圖14所示。從圖14可知，與圖9所示曲線規(guī)律是一致的，輸出電壓頻率約為6 kHz，變化范圍在9%內(nèi)，表明頻率比較穩(wěn)定，對入流速度不敏感。

比較圖8、圖9與圖13、圖14可知，在一定流速范圍內(nèi)，壓電換能器工作在線性段，輸出電壓值與激振力幅值成正比，頻率一致，符合振動壓電發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換原理。

3.3 輸出功率

在壓電換能器輸出端接入負(fù)載R時(shí)，輸出電壓有效值U與負(fù)載R的關(guān)系，如圖15所示。對于同一負(fù)載R，輸出電壓有效值U隨著入流速度V的增大而增大，這與開路時(shí)的趨勢一致。在恒定入流速度V下，輸出電壓有效值U隨著負(fù)載R的增大而增大；且負(fù)載R越大，U越接近開路時(shí)的值。

圖14 輸出電壓頻率與流速的關(guān)系Fig. 14 Relationship between the frequency of output voltage and velocity

圖15 輸出電壓有效值U與負(fù)載R的關(guān)系Fig. 15 Relationship between output voltage and the load resistance

根據(jù)式(2)，對圖15中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得到負(fù)載兩端的功率，即發(fā)電機(jī)的輸出功率Pe，其與負(fù)載的關(guān)系如圖16所示。從圖16可知，對于同一負(fù)載R，輸出功率Pe隨著入流速度V的增大而增大。在恒定流速V下，輸出功率Pe隨著負(fù)載R的增大先增大后減小，當(dāng)負(fù)載R=3 kΩ時(shí)，所對應(yīng)的輸出功率最大，說明壓電換能器的阻抗約為3 kΩ左右。以負(fù)載3 kΩ，流速106 m/s時(shí)，輸出功率為27.6 mW；流量159 m/s時(shí)，輸出功率可達(dá)85.3 mW。

圖16 輸出功率Pe與負(fù)載R的關(guān)系Fig. 16 Relationship between the output power and the load resistance

3.4 能量轉(zhuǎn)換效率

理論上，氣流能量可以用動能來表示，對于移動的空氣所具有的潛在能量可以寫成[14]

(5)

式中：ρ為空氣的密度；A為截面積；v為氣流速度； Δt為觀測時(shí)間；m為氣流質(zhì)量。

根據(jù)式(5)，氣流功率可以寫成

(6)

式中：ρ為空氣的密度；A為截面積；v為氣流速度。

因此，小型氣流激振壓電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)總的能量轉(zhuǎn)換效率η可以用發(fā)電機(jī)的輸出電功率Pe與輸入氣流功率Pa之比來表示，可以寫成

(7)

當(dāng)入流速度為106 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載的關(guān)系，如圖17所示。由圖17可知，負(fù)載為3 kΩ時(shí)，發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率最大，約為1.2‰。

圖17 能量轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載的關(guān)系Fig.17 Relationship between energy conversion efficiency and the load resistance

能量轉(zhuǎn)換效率較低主要有以下兩個(gè)因素：①聲壓激勵(lì)頻率(6 kHz)與壓電換能器的固有頻率(約14 kHz)不匹配；②氣流動能到聲能的轉(zhuǎn)換效率較低。如能保障聲壓激勵(lì)頻率與壓電換能器的固有頻率較接近甚至達(dá)到共振狀態(tài)，即可提高聲能到電能的轉(zhuǎn)換效率，從而提高整體能量轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié) 論

本文模擬了彈丸飛行時(shí)管內(nèi)流環(huán)境，對小型氣流激振壓電發(fā)電機(jī)的輸出特性進(jìn)行了模擬吹風(fēng)試驗(yàn)研究，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)激振力曲線呈正弦波形，幅值隨入流速度的增大而線性增大，頻率較高且穩(wěn)定，約6 kHz，頻率變化在9%以內(nèi)。

(2)在一定流速范圍內(nèi)，壓電換能器工作在線性段，輸出電壓值與激振力幅值成正比，頻率一致，符合振動壓電發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換原理。

(3)在負(fù)載匹配的情況下(R=3 kΩ)，最高能輸出85.3 mW的電能，且發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率為1.2‰。如果將電能有效地存儲下來，可以滿足小口徑及低功耗引信電源的需求。因此，如果能提高能量轉(zhuǎn)換效率，將有廣闊的應(yīng)用前景，具有作進(jìn)一步研究的價(jià)值。

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