一種壓電發電機流體動力聲源激振方法技術

本發明專利技術提供一種壓電發電機流體動力聲源激振方法，利用氣流流過管道后氣流產生的變化特性和聲波在空腔、管孔內傳播引起結構振動的特性，提供了一種新型的無活動零件的氣流致聲壓電發電強制振動裝置，具有機械自調制氣流激發流體動力聲源的非線性振動機械系統，滿足汽車、無人駕駛車輛、武器應用系統、航天航空系統、機器人、城市或小區照明等各種領域的應用系統自供電的需求，充分利用清潔的可再生能源，具有重要的理論價值和工程指導意義。

【技術實現步驟摘要】
一種壓電發電機流體動力聲源激振方法
本專利技術提供一種壓電發電機流體動力聲源激振方法，涉及利用氣流誘發聲波的流體動力聲源、激勵壓電換能器輸出電能的裝置，屬于氣流壓電發電

技術介紹
振動壓電發電機關鍵在于高效機電能量轉換和高功率采集電路。各種高功率采集電路，無論是使用標準接口電路，還是基于開關的同步電路，其理論和設計較成熟，已開發各種低損耗能量采集電路，結構基本相同。機電換能器的關鍵在于高性能壓電材料或壓電復合材料，及其制備工藝，這屬于材料領域。振動式壓電換能系統的采集功率決定于輸入振動信號的頻率、發電器的質量、壓電換能裝置的機電耦合系數等，為了滿足發電機輸出功率、電壓值，如何更加有效地將自然存在的氣流轉化為電能，是當前世界性的難題之一。目前，氣流壓力直接作用于壓電換能器發電機，一般是懸臂梁式機械激勵結構和多層壓電換能器，存在尺寸大、結構復雜、產品合格率低等問題。振源來自環境中風、氣流的振動壓電發電機，是一種清潔的再生能源。激勵來自工作環境中的自然風（或迎面空氣產生的氣流）的供電系統，其風速低，范圍1～10m/s，即1～5級的微風、和風，發電機都采用水平軸或垂直軸渦輪式旋轉結構，靠風或氣流直接推動渦輪葉片轉動激勵的磁電換能器發電。對于一般設備或系統的自供電系統來說，渦輪發電機存在安裝場地困難、體積龐大、結構復雜，葉輪、渦輪等活動零件強度低、噪聲大，磁電換能易造成電磁污染等問題。中國專利技術專利“一種基于壓電效應的微風發電裝置”（專利號：CN201210277507.2，南京航空航天大學周成鋒等），公開了一種基于壓電效應的微風發電裝置,包括底板以及設置在底板上的壓電陣子和升力型風機,在升力型風機的轉軸上連接有帶齒的凸輪,壓電陣子均布在凸輪的外側,凸輪的齒頂為尖頂,凸輪的齒數為N,壓電陣子的個數為M，最低時速4公里的微風環境中工作，輸出功率達到15mW。該專利技術采用旋轉的風機和凸輪齒激勵壓電振子，系統強度低，抗干擾能力低，結構復雜、體積偏大。美國專利“ForcedvibrationpiezogeneratorandpiezoactuatorSapir”(專利號：US8040022,Sapir;ItzhakIrvine,CA)，公布了一種使用一個或多個懸臂梁式壓電陣列的氣流致振壓電發電機，壓電發電系統包括多個壓電發生器模塊，每個壓電發電機模塊包括多個壓電懸臂梁和流體壓力調節器，流體壓力調節器設置在每個懸臂梁上，有節流活塞和排氣孔。該專利技術依靠直線運動的活塞機構來調節氣流和懸臂梁式壓電陣列，同樣，存在系統強度低、抗干擾差、結構復雜、體積大的問題。
技術實現思路
本專利技術提供一種壓電發電機流體動力聲源激振方法，是將外部氣流調節后產生聲波，由該流體動力聲源激勵壓電換能器振動，來實現振動-電能的轉換，可制成一種氣流致聲振動壓電發電機。本專利技術所述的一種壓電發電機流體動力聲源激振方法，其特征在于：一個等截面環隙進氣口：提供狹窄狀側隙，具有流態轉捩快、趨于均勻快、整流作用明顯、氣流速度均勻對稱恢復能力強等優點，轉捩點緊靠進氣口。一個維多辛斯基噴嘴：提供進氣道內速度場發展分布均勻快的湍流、噴嘴出流口形成旋渦脫落誘發脈動壓力場的噴注，能夠提高噴嘴的工作效率。一個流體動力聲源：在噴嘴、空腔和聲管三者之間的耦合作用下，旋渦脫落的脈動壓力場沖擊突變截面聲管口部尖棱，產生邊棱音，形成較高頻、小振幅流體動力聲源，并且旋渦脫落頻率被聲波頻率所俘獲，為壓電換能器提供穩定的振動頻率。一個氣流致聲強制振動機構：突變截面收縮聲管和周邊固定壓電片構成的強制振動結構，使旋渦誘發的聲波全反射疊加，在聲管內合成聲壓振幅達到極大值形成駐波，聲強被放大，提高振動頻率和壓電換能器的輸出電能。本專利技術研制流體動力聲源激振的壓電發電機，包括等截面環隙進氣口、維多辛斯基噴嘴、突變截面聲管、周邊固定壓電片。噴嘴-聲管激振的氣流致聲激振過程，是一個復雜的非線性過程，由“渦街”、邊棱音、空腔-聲管結構三者的流-聲-固耦合作用而形成，有利于提高壓電換能器轉換效率和發電機輸出功率。外部氣流經過等截面環隙進氣口、維多辛斯基噴嘴的氣流調節，在近管口處迅速轉捩為湍流，使得在一個收縮噴口能夠形成噴注，誘發旋渦和脫落現象，產生周期性“卡門渦街”壓力場，在一個帶尖棱的突變截面聲管口部生成邊棱音，經聲管反射的聲波在收縮噴口與“渦街”耦合，發生旋渦脫落頻率被反射聲波頻率所俘獲的現象，聲波聲強被放大并很快在聲管內合成穩定的駐波，壓電換能器和駐波諧振。在聲波到達壓電換能器之前放大了聲源頻率，在相同的時間內能夠產生更多的振動，從而使得壓電換能器的輸出電能最大，提供幾十至幾百毫瓦電功率。本專利技術的積極效果在于：本專利技術利用氣流流過管道后氣流產生的變化特性和聲波在空腔、管孔內傳播引起結構振動的特性，提供了一種新型的無活動零件的氣流致聲壓電發電強制振動裝置，具有機械自調制氣流激發流體動力聲源的非線性振動機械系統，滿足汽車、無人駕駛車輛、武器應用系統、航天航空系統、機器人、城市或小區照明等各種領域的應用系統自供電的需求，充分利用清潔的可再生能源，具有重要的理論價值和工程指導意義。附圖說明：圖1為本專利技術整體結構原理圖；圖2為本專利技術氣流流動示意圖；圖3為本專利技術堵塞1結構原理圖；圖4為本專利技術聲管4結構原理圖；圖5為本專利技術噴嘴2結構原理圖；圖6是恒定氣壓的入流速度-聲管底部振動壓力頻率曲線。圖7是不同聲管長度下入流速度與聲管底部振動壓力頻率的測試曲線；圖8是不同噴嘴-聲管間距H下入流速度與聲管底部振動壓力頻率的測試曲線；圖9為入流速度與壓電換能器輸出單相交流電壓曲線；圖10為入流速度為53m/s時，壓電換能器輸出電壓隨時間的變化曲線；圖11為輸出電壓有效值U與負載R的關系，結果表明，阻抗匹配下，電壓有效值穩定；圖12、圖13分別為輸出功率和轉換效率與負載的關系；圖中，1、堵塞；2、噴嘴；3、外殼；4、聲管；5、壓電換能器；6、外端蓋板；7、排氣口；D、進氣口；E、空腔；H、；Q1、外部氣流；Q2、湍流；F、收縮口；G、尖棱。具體實施方式下面的實施例可以使本專業技術人員更全面地理解本專利技術，但不以任何方式限制本專利技術。實施例1根據圖1～圖5所示，本專利技術裝置主要由包括進氣口D、噴嘴2、聲管4構成的振動結構、固定在聲管4底部的壓電片5；其中，外殼3的一端與堵塞1形成進氣口D，噴嘴2內孔是維多辛斯基結構；另一端順序排列有聲管4、壓電片5，通過外端蓋板6與外殼3固連，并將壓電片5緊壓在聲管4末端；噴嘴2與聲管4間留有空腔E。如圖3所示，所述的進氣口D為外殼3與堵塞1形成的狹窄狀側隙，堵塞1是外螺紋結構，圓柱基本體上1/2半徑處兩對稱平面銑削成結構。如圖5所示，所述的噴嘴2為變截面收縮氣道，內部流道曲線為維多辛斯基曲線；噴嘴2與聲管4同軸，通過堵塞1緊壓在外殼3上；噴嘴2的收縮口F置于空腔E內，與聲管4前端口距離H，構成一個聲波正反饋系統。如圖4所示，所述的聲管4為具有聲波分界面O-O的突變截面收縮管，聲管直徑D2和D3與聲波波長λ之比小于0.5，聲管長度B1與聲波波長λ之比等于0.25，通過蓋板6緊壓；聲管4前端口有內倒角構成尖棱G，對準噴嘴2的收縮口F；聲管4末端外側放置壓電片5構成固有頻率等于聲波頻率的壓電換能器；聲波頻率本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種壓電發電機流體動力聲源激振方法，其特征在于：一個等截面環隙進氣口：提供狹窄狀側隙，具有流態轉捩快、趨于均勻快、整流作用明顯、氣流速度均勻對稱恢復能力強等優點，轉捩點緊靠進氣口；一個維多辛斯基噴嘴：提供進氣道內速度場發展分布均勻快的湍流、噴嘴出流口形成旋渦脫落誘發脈動壓力場的噴注，能夠提高噴嘴的工作效率；一個流體動力聲源：在噴嘴、空腔和聲管三者之間的耦合作用下，旋渦脫落的脈動壓力場沖擊突變截面聲管口部尖棱，產生邊棱音，形成較高頻、小振幅流體動力聲源，并且旋渦脫落頻率被聲波頻率所俘獲，為壓電換能器提供穩定的振動頻率；一個氣流致聲強制振動機構：突變截面收縮聲管和周邊固定壓電片構成的強制振動結構，使旋渦誘發的聲波全反射疊加，在聲管內合成聲壓振幅達到極大值形成駐波，放大聲強，提高振動頻率和壓電換能器的輸出電能；外部氣流經過等截面環隙進氣口、維多辛斯基噴嘴的氣流調節，在近管口處迅速轉捩為湍流，使得在一個收縮噴口能夠形成噴注，誘發旋渦和脫落現象，產生周期性“卡門渦街”壓力場，在一個帶尖棱的突變截面聲管口部生成邊棱音，經聲管反射的聲波在收縮噴口與“渦街”耦合，發生旋渦脫落頻率被反射聲波頻率所俘獲的現象，聲波聲強被放大并很快在聲管內合成穩定的駐波，壓電換能器和駐波諧振；在聲波到達壓電換能器之前放大了聲源頻率，在相同的時間內能夠產生更多的振動，從而使得壓電換能器的輸出電能最大，提供幾十至幾百毫瓦電功率。...

【技術特征摘要】
1.一種壓電發電機流體動力聲源激振方法，其特征在于：由進氣口、噴嘴、聲管構成振動結構，壓電換能器固定在聲管的底部；外殼的一端與堵塞形成進氣口，噴嘴內孔為變截面收縮氣道；外殼的另一端順序排列有聲管、壓電片，通過外端蓋板與外殼固連，并將壓電片緊壓在聲管末端；噴嘴與聲管間留有空腔；所述的進氣口為等截面環隙狹結構構成窄狀側隙，轉捩點緊靠進氣口；所述的噴嘴為維多辛斯基：提供速度場分布均勻的湍流、噴嘴出流口形成旋渦脫落誘發脈動壓力場的噴注；所述的流體動力聲源是在噴嘴、空腔和聲管三者之間的耦合作用下，旋渦脫落的脈動壓力場沖擊突變截面聲管口部尖棱，產生邊棱音，形成高頻、小振幅流體動力聲源，并且旋渦脫落頻率被聲波頻率所俘獲，為壓電換能器提...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳荷娟，鄒華杰，孫加存，蔡建余，聶偉榮，賴長纓，楊堅，張健，譚菊琴，吳朝陽，姜節波，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32