引信小型氣流激振壓電發電機試驗研究

鄒華杰， 張 波， 陳荷娟， 張江華， 王澤平

(1. 常州機電職業技術學院 機械工程學院，江蘇 常州 213164；2. 南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

隨著彈丸和戰斗部的小型化發展趨勢，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，各種復雜應用系統的電子系統(或微電子系統)也需要持續自供電或作為其他能源的補充電源，因此，引信振動壓電發電機具有極大的應用前景，它是一種利用彈丸飛行中產生的相對迎面氣流發電引信物理電源,因其振源的外部激勵來自氣流,故也稱氣流激振壓電發電機。如果能夠通過提高振動壓電發電機的驅動性能來增加其輸出功率，將是一個壓電發電機提高輸出功率的新途徑。

對于振動壓電換能器來說，根據“頻率泵浦”設計思想[1]，較高振動激勵頻率，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[2]的基礎上提出了一種利用彈丸飛行過程中的迎面氣流來發電的小型氣流激振壓電發電機方案，該發電機具有結構簡單、體積小、振動頻率高且沒有活動部件等特點，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研究：何鵬等[3-4]對發電機進氣道內流場進行了分析；Li[5]對噴注流場中旋渦脫落過程進行了分析；鄒華杰等[6-7]對發電機中聲管固定方法進行了分析，并設計了一個基于環形噴嘴—共振腔結構的氣流致聲激振機構；通過數值仿真和試驗對其氣流致聲激勵特性進行了研究，驗證了其作為氣流激振壓電發電機激振裝置的可行性。

關于這類氣流激振壓電發電機,國內有些學者對其進行了相關研究。李映平對振動式壓電換能機理、壓電換能器的固有頻率以及振動壓電發電的原理性試驗等進行了相關的研究。黎暉等[8]僅對這種氣流激振壓電發電機的壓電片和諧振腔的固有頻率進行了推導。雷軍命[9]在李映平研究的基礎上,設計了直徑為34 mm的換能器，研究壓電振子的諧振特性，對氣流激振壓電發電機的輸出電壓和輸出功率進行了簡單試驗研究。徐偉等[10]結合微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)技術,提出了一種引信用MEMS氣流諧振壓電發電機,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以及發電機的輸出電壓進行了研究。但是以上文獻都是針對這種氣流激振壓電發電機的壓電換能進行了研究,然而關于其激振力以及輸出特性方面，尤其是關于振動頻率方面卻很少有相關的研究報告。

為此，本文建立了測量小型氣流激振壓電發電機輸出特性的試驗系統，對已加工的原理樣機進行模擬吹風試驗研究，測量并記錄發電機的激振力、輸出電壓，并對振動頻率、輸出功率以及能量轉換效率進行詳細分析，為進一步研究小型氣流激振壓電發電機提供支持。

1 氣流激振壓電發電機結構及工作原理

氣流激振壓電發電機的結構示意圖，如圖1所示。由氣流致聲激振機構和壓電換能器所組成。氣流致聲激振機構主要由環隙、噴注及共振腔(壓電換能器封閉末端)組成。其中，環隙是由進氣道和阻塞構成；噴注是彈丸飛行時的迎面氣流(即入流)進入環隙出來后得到的穩定渦流[11]，噴注遇到共振腔口部的邊棱(尖劈)產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噴注氣流的損失，放大氣流機械能。和風吹聲不同的是反饋在這里起主要作用，由噴口發出的高速噴注在空腔內(共振腔前端)靜止的空氣中通過時，噴注的邊界上因高速流與靜止介質的接觸，不斷產生旋渦[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)時發生反射回到噴口，激發更多旋渦；一部分進入共振腔內激發其腔體振動，并在底部(剛性底部)反射回噴口。在聲源處(共振腔口部)同時存在正、負向聲波，如果它們同相則振動加強，即在共振腔內形成駐波，可以產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)驅動壓電換能器振動，輸出電能，實現聲能到電能的轉換。

圖1 氣流激振壓電發電機結構示意圖Fig.1 Scheme of airflow vibration piezoelectric generator

2 試驗裝置和方法

2.1 試驗裝置

模擬彈丸飛行環境時，忽略了溫度、濕度以及來流等因素的影響，僅模擬了管內流的壓力或速度環境。試驗系統主要由氣源模擬系統、壓力測量系統、電學測量系統以及試驗試件等組成，如圖2所示。氣源模擬系統主要由氣罐、減壓閥和流量計組成。電學測量系統由負載電路，示波器以及數據記錄儀組成。

圖2 試驗系統框圖Fig.2 The experimental system diagram

小型氣流激振壓電發電機試驗試件由進氣道、環形噴口、共振腔、壓電換能器以及蓋板所組成，實物分別如圖3(a)～圖3(e)所示。共振腔的內徑為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所示為試驗照片。試驗時，打開氣罐，通過減壓閥來調節進氣口的氣流大小，并通過流量計監測流量值；氣流進入試件后，由氣流激振機構產生激振力，驅動壓電換能器振動產生電壓；分別用壓力傳感器和示波器測量激振力與輸出電壓，并用數據記錄儀對相應數據進行記錄。

圖3 試驗試件Fig.3 Experiment sample

(a)激振力測量

(b)電壓測量圖4 試驗照片Fig.4 Experiment picture

2.2 試驗方法

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

V=Q/S

(1)

式中：V為氣流速度；Q為流量；S為截面積。

另外，當負載電路與壓電換能器的輸出端相連接時，負載兩端的功率可定義為

Pe=U2/R

(2)

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

表1 流量Q 與環形噴口入口處氣流速度V 以及壓力P 的對應關系

3 試驗結果及分析

3.1 激振力

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

圖5 V=53 m/s時共振腔底部聲壓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時共振腔底部聲壓Fig. 7 The curve of sound pressure with V=159 m/s

V時共振腔底部的聲壓曲線，聲壓曲線比較穩態，近似正弦波形；經快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)得到相對應的頻譜曲線見圖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線性關系，如圖8所示。隨流速的增大而增大。在流速為159 m/s時，試驗測得最大值為70 kPa；在流速為53 m/s時，試驗測得最小值為10.2 kPa。利用試驗數據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系Fig.8 Relationship between sound pressure and velocity

激振力頻率與流速的關系，如圖9所示。在所研究的流速范圍內，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，聲壓頻率為5.67 kHz；流速為159 m/s時，聲壓頻率為6.15 kHz；其相對頻率變化誤差在9%內，頻率對流速不敏感。由氣流激振壓電發電機工作原理可知，共振腔內的穩定駐波聲場是由動態的旋渦脫落激勵所形成的，隨著流速增大，旋渦脫落的頻率稍微增大，使得共振腔內的穩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系Fig. 9 Relationship between the frequency of sound pressure and velocity

3.2 開路電壓

開路(不接負載)時，在不同入流速度V下，數據記錄儀采集的發電機輸出電壓隨時間的變化曲線，如圖10～圖12所示。由圖可知，在所研究的流量范圍內，輸出電壓波形都呈現正弦曲線，幅值都比較穩定。在入流速度為53 m/s時，發電機的輸出電壓上、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，發電機的輸出電壓上、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，發電機的輸出電壓上、下峰值分別可達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系，如圖13所示。從圖13可知，輸出電壓與流速呈線性關系，且輸出電壓隨著速度的增大而增大。利用試驗數據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，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，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，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系Fig.13 Relationship between output voltage and velocity

對輸出電壓曲線進行FFT變換后，輸出電壓頻率與入流速度的關系，如圖14所示。從圖14可知，與圖9所示曲線規律是一致的，輸出電壓頻率約為6 kHz，變化范圍在9%內，表明頻率比較穩定，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，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，符合振動壓電發電機的能量轉換原理。

3.3 輸出功率

在壓電換能器輸出端接入負載R時，輸出電壓有效值U與負載R的關系，如圖15所示。對于同一負載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隨著負載R的增大而增大；且負載R越大，U越接近開路時的值。

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

圖15 輸出電壓有效值U與負載R的關系Fig. 15 Relationship between output voltage and the load resistance

根據式(2)，對圖15中的數據進行計算后得到負載兩端的功率，即發電機的輸出功率Pe，其與負載的關系如圖16所示。從圖16可知，對于同一負載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隨著負載R的增大先增大后減小，當負載R=3 kΩ時，所對應的輸出功率最大，說明壓電換能器的阻抗約為3 kΩ左右。以負載3 kΩ，流速106 m/s時，輸出功率為27.6 mW；流量159 m/s時，輸出功率可達85.3 mW。

圖16 輸出功率Pe與負載R的關系Fig. 16 Relationship between the output power and the load resistance

3.4 能量轉換效率

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為觀測時間；m為氣流質量。

根據式(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電機系統總的能量轉換效率η可以用發電機的輸出電功率Pe與輸入氣流功率Pa之比來表示，可以寫成

(7)

當入流速度為106 m/s時，發電機的能量轉換效率與負載的關系，如圖17所示。由圖17可知，負載為3 kΩ時，發電機的能量轉換效率最大，約為1.2‰。

圖17 能量轉換效率與負載的關系Fig.17 Relationship between energy conversion efficiency and the load resistance

能量轉換效率較低主要有以下兩個因素：①聲壓激勵頻率(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換效率較低。如能保障聲壓激勵頻率與壓電換能器的固有頻率較接近甚至達到共振狀態，即可提高聲能到電能的轉換效率，從而提高整體能量轉換效率。

4 結 論

本文模擬了彈丸飛行時管內流環境，對小型氣流激振壓電發電機的輸出特性進行了模擬吹風試驗研究，通過對試驗結果的分析，可以得出以下結論：

(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，頻率較高且穩定，約6 kHz，頻率變化在9%以內。

(2)在一定流速范圍內，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，符合振動壓電發電機的能量轉換原理。

(3)在負載匹配的情況下(R=3 kΩ)，最高能輸出85.3 mW的電能，且發電機的轉換效率為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，如果能提高能量轉換效率，將有廣闊的應用前景，具有作進一步研究的價值。

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