多孔式合成射流壓電風(fēng)扇仿真分析與試驗(yàn)

王建濤 高銘澤 祝 健 王啟智 李 昊

燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院,秦皇島,066004

0 引言

自1975年第一份有關(guān)壓電泵的研究報(bào)告公布以來(lái),采用形狀記憶合金、壓電陶瓷、電活性聚合物、鐵電聚合物、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料和導(dǎo)電聚合物等新型智能材料驅(qū)動(dòng)的流體驅(qū)動(dòng)器受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究,它們?cè)诤娇蘸教臁C(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用[1]。其中以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)元件的流體驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、精度高、無(wú)電磁干擾、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化與集成化等優(yōu)點(diǎn),故適用范圍廣,現(xiàn)已逐步應(yīng)用于生物化學(xué)、醫(yī)療健康、燃料電池、智能電子設(shè)備等領(lǐng)域[2-5]。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同,壓電流體驅(qū)動(dòng)器可以分為壓電液體驅(qū)動(dòng)器[6]和壓電氣體驅(qū)動(dòng)器[7]。與壓電液體驅(qū)動(dòng)器相比,對(duì)壓電氣體驅(qū)動(dòng)器的研究較少較晚,在研制小體積高性能壓電氣體驅(qū)動(dòng)器方面仍有很多技術(shù)問(wèn)題亟待解決。然而,壓電氣體驅(qū)動(dòng)器在醫(yī)用電子血壓計(jì)、微型燃料電池氣體循環(huán)系統(tǒng)、主動(dòng)流控制激勵(lì)器、微電子系統(tǒng)冷卻等方面均有廣泛的需求。由于氣體和液體在壓縮性、黏度、密度和流動(dòng)性質(zhì)等方面存在較大差異,故不能簡(jiǎn)單地將壓電液體驅(qū)動(dòng)理論和方法直接用于研發(fā)壓電氣體驅(qū)動(dòng)器,且在小尺度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)氣體高效驅(qū)動(dòng)的技術(shù)難度更大。

在探索研制高性能壓電氣體驅(qū)動(dòng)器的道路上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了積極研究。根據(jù)有無(wú)閥片結(jié)構(gòu),可以進(jìn)一步將壓電氣體驅(qū)動(dòng)器分為有閥式[7-8]和無(wú)閥式[9-13]兩類(lèi)。有閥式壓電氣體驅(qū)動(dòng)器利用壓電致動(dòng)器的振動(dòng)位移產(chǎn)生周期性容積變化量,同時(shí)借助入口和出口處的單向閥控制實(shí)現(xiàn)氣體單向驅(qū)動(dòng)。無(wú)閥式壓電氣體驅(qū)動(dòng)器的形式較為多樣,如撲翼式壓電風(fēng)扇、超聲行波壓電氣泵、聲駐波壓電氣泵、合成射流壓電氣泵等,此類(lèi)壓電氣體驅(qū)動(dòng)器通過(guò)某種物理作用或效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的驅(qū)動(dòng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成、原理新穎、形式多樣等特點(diǎn)。其中,合成射流壓電氣體驅(qū)動(dòng)器利用合成射流原理向流場(chǎng)中輸入動(dòng)量進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣體產(chǎn)生定向流動(dòng),近些年在主動(dòng)流場(chǎng)控制和微電子系統(tǒng)散熱領(lǐng)域得到了廣泛的研究和報(bào)道[14-16]。為了提高合成射流壓電氣體驅(qū)動(dòng)器的性能,LI等[17]提出了一種帶有花瓣形進(jìn)氣通道的合成射流壓電氣泵,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)花瓣形進(jìn)氣通道大幅提高了系統(tǒng)性能。LIU等[13]采用雙腔串聯(lián)的方法提高合成射流壓電氣泵的氣體驅(qū)動(dòng)性能,并通過(guò)與單腔合成射流壓電氣泵的對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在提高系統(tǒng)性能方面的有益效果。針對(duì)傳統(tǒng)合成射流控制環(huán)境適應(yīng)性差和能量利用效率不高的問(wèn)題,羅振兵等[18]提出了基于系統(tǒng)論的能量綜合利用和氣體增壓原理的合成射流激勵(lì)器設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)了單膜雙腔雙口合成射流激勵(lì)器,充分利用了壓電振動(dòng)膜的雙向振動(dòng)能量。同時(shí),對(duì)采用單激勵(lì)源的多孔合成射流激勵(lì)器進(jìn)行了研究,將其應(yīng)用于散熱方向可以大大增大散熱面積和散熱的均勻性。KIM等[19]采用揚(yáng)聲器作為激勵(lì)源設(shè)計(jì)了雙孔式合成射流激勵(lì)器,并用數(shù)值模擬與流場(chǎng)可視化技術(shù)分析雙孔合成射流激勵(lì)器的不同射流孔氣體射流之間的作用關(guān)系。采用單激勵(lì)源多射流孔的結(jié)構(gòu)可以提高合成射流激勵(lì)器的能量轉(zhuǎn)化效率,進(jìn)而提高自身性能。以上研究表明,為提高合成射流壓電氣體驅(qū)動(dòng)器性能,研究人員在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面研究較多,但是在提高單個(gè)壓電換能器能量利用率方面研究較少,而這正是實(shí)現(xiàn)高性能壓電氣體驅(qū)動(dòng)器小型化的重要途徑。

綜合分析上述壓電氣體驅(qū)動(dòng)器與合成射流激勵(lì)器的研究進(jìn)展,本文設(shè)計(jì)一種采用晶片型壓電換能器激勵(lì)高強(qiáng)聲場(chǎng),并誘導(dǎo)氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)的多孔式合成射流壓電風(fēng)扇,簡(jiǎn)稱(chēng)多孔壓電風(fēng)扇。利用壓電換能器的高階振型匯聚換能器的輻射聲能,在壓電換能器的中心區(qū)域形成高強(qiáng)聲場(chǎng),并在該區(qū)域上方平行布置多孔射流板和多孔擋流板,提高壓電換能器輻射聲能的綜合利用效率,實(shí)現(xiàn)大流量氣體驅(qū)動(dòng)。重點(diǎn)研究多孔壓電風(fēng)扇射流孔分布對(duì)氣體驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律,探究壓電換能器超聲近聲場(chǎng)能量的綜合利用方法。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

多孔壓電風(fēng)扇利用自身機(jī)械結(jié)構(gòu)將壓電換能器的輻射聲能轉(zhuǎn)化成氣體動(dòng)能,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“電能-聲能-流體動(dòng)能”連續(xù)地能量轉(zhuǎn)化,完成高效氣體驅(qū)動(dòng)。為了驗(yàn)證多孔壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能,并且提高試驗(yàn)效率,特設(shè)計(jì)一種可拆解式的多孔壓電風(fēng)扇試驗(yàn)裝置,如圖1所示。多孔壓電風(fēng)扇試驗(yàn)裝置主要由換能器基座、壓電換能器、射流板基座、射流板、擋流板基座、擋流板和蓋板等部件組成。壓電換能器的周邊與換能器基座固定連接,射流板基座上設(shè)計(jì)有射流板安裝限位槽,射流板安裝在射流板基座的限位槽中,擋流板安裝在擋流板限位座中。當(dāng)螺釘將蓋板與換能器基座緊固連接時(shí),多孔壓電風(fēng)扇試驗(yàn)裝置各配件之間會(huì)相互壓合固定。在射流板上設(shè)計(jì)有一個(gè)或多個(gè)射流孔,同樣在擋流板上設(shè)計(jì)有一個(gè)或多個(gè)出流口,各個(gè)射流孔與出流口位置一一對(duì)應(yīng)且分別處在同一軸線上。

圖1 壓電風(fēng)扇總體結(jié)構(gòu)

多孔壓電風(fēng)扇利用壓電換能器激勵(lì)產(chǎn)生超聲強(qiáng)聲場(chǎng),其近聲場(chǎng)空氣層在高頻聲場(chǎng)作用下發(fā)生振蕩并激勵(lì)氣體形成單向流動(dòng),系統(tǒng)工作原理如圖2所示。壓電換能器在高頻交變電壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生振動(dòng)并向外輻射高頻超聲波,激勵(lì)聲流換能層中的空氣發(fā)生振蕩。在壓電換能器聲波輻射面上方,輻射聲能集中在換能器中心區(qū)域,同時(shí)在該區(qū)域的射流板和擋流板上設(shè)置射流孔和出流口。空氣質(zhì)點(diǎn)在射流孔中往復(fù)運(yùn)動(dòng),在剪切作用下,射流孔邊緣部位的空氣質(zhì)點(diǎn)發(fā)生分離而向射流孔上方產(chǎn)生氣體射流。根據(jù)合成射流原理,可知該氣體射流會(huì)成對(duì)形成旋渦并卷吸射流層中空氣,進(jìn)一步在擋流板出流口處獲得更大的氣體射流。多孔壓電風(fēng)扇在上述工作過(guò)程中,以向周?chē)h(huán)境輸入動(dòng)量的形式驅(qū)動(dòng)空氣產(chǎn)生定向流動(dòng),具有氣體流量大的特點(diǎn)。本文研究的多孔壓電風(fēng)扇無(wú)需利用壓電振子的變形來(lái)產(chǎn)生容積變化以驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng),而是利用壓電換能器的輻射強(qiáng)聲場(chǎng)激勵(lì)空氣質(zhì)點(diǎn)往復(fù)振蕩,實(shí)現(xiàn)多個(gè)射流孔同步產(chǎn)生氣體射流,具有體積小、系統(tǒng)輸入能量密度大以及能量利用率高等特點(diǎn)。

圖2 壓電風(fēng)扇工作原理

2 多孔壓電風(fēng)扇仿真分析

2.1 電聲換能特性分析

壓電換能器是一種常用的電聲能量轉(zhuǎn)換器件,可以在交變電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下向周?chē)浇檩椛渎暡ǘ纬蓮?qiáng)聲場(chǎng)。本文研究的多孔壓電風(fēng)扇采用晶片型壓電換能器,它主要由壓電陶瓷、聚酰亞胺膜、銅電極和鋁合金匹配層粘接而成,如圖3所示。晶片型壓電換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且厚度較小,適合構(gòu)造小型氣體驅(qū)動(dòng)器。

圖3 壓電換能器結(jié)構(gòu)

(a)第一階諧振

圓形壓電換能器的周邊與換能器基座采用膠水粘接固定,對(duì)壓電陶瓷晶片施加正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào),壓電換能器發(fā)生往復(fù)振動(dòng)并向周?chē)諝饨橘|(zhì)輻射聲波。壓電換能器的厚度較小而近似于一個(gè)圓形薄板,其第一階和第六階振型為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),輻射聲場(chǎng)的能量集中在中心區(qū)域,適于驅(qū)動(dòng)多孔壓電風(fēng)扇。首先建立壓電換能器的物理模型,利用商用軟件Comsol Multiphysics對(duì)壓電換能器進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)仿真分析。對(duì)壓電陶瓷施加交變電壓信號(hào)并獲得壓電換能器的第一階和第六階振動(dòng)模態(tài),如圖4所示。復(fù)合層壓電換能器的第一階諧振頻率為1753.9 Hz,第六階諧振頻率為20 807 Hz。與第一階諧振頻率相比,壓電換能器的第六階諧振頻率較高且在超聲頻率范圍內(nèi),系統(tǒng)工作無(wú)噪聲且輻射聲場(chǎng)的能量密度更高。為構(gòu)造一個(gè)超聲輻射聲場(chǎng),本文選擇壓電換能器的第六階振型作為多孔壓電風(fēng)扇的聲場(chǎng)激勵(lì)源。

(b)第六階諧振圖4 壓電換能器的振動(dòng)模態(tài)

進(jìn)一步利用Comsol Multiphysics軟件對(duì)壓電換能器的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,建立壓電換能器聲場(chǎng)仿真分析的幾何結(jié)構(gòu)模型,如圖5所示。壓電換能器的鋁合金匹配層與無(wú)邊界的空氣域接觸,完美匹配層用于模擬聲波在遠(yuǎn)離聲源傳播過(guò)程中被吸收的情況。對(duì)壓電換能器施加正弦波電壓信號(hào),在驅(qū)動(dòng)電壓Vpp為60 V且驅(qū)動(dòng)頻率為20 807 Hz的正弦波電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下,壓電換能器獲得第六階諧振狀態(tài),此時(shí)換能器輻射聲場(chǎng)情況如圖6所示。結(jié)果顯示,壓電換能器的輻射聲場(chǎng)與其自身振型直接相關(guān),在其振幅最大處輻射聲場(chǎng)的聲壓最強(qiáng),使得聲能集中在壓電換能器振幅最大的中心區(qū)域,為多孔式合成射流壓電風(fēng)扇提供高效的聲場(chǎng)激勵(lì)。

圖5 聲場(chǎng)仿真模型幾何結(jié)構(gòu)

圖6 總聲壓切面圖

2.2 流場(chǎng)分析

多孔壓電風(fēng)扇采用多射流孔結(jié)構(gòu)提高自身能量利用效率,而各射流孔之間存在著相互擾動(dòng)作用,影響各自的氣體驅(qū)動(dòng)效果。本文利用FLUENT流場(chǎng)仿真分析軟件對(duì)多孔壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析,找到射流孔分布對(duì)多孔壓電風(fēng)扇氣體驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律。首先根據(jù)多孔壓電風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù),在FLUENT軟件中建立流場(chǎng)域仿真分析幾何結(jié)構(gòu)模型并劃分網(wǎng)格,如圖7所示。為了保證計(jì)算精度,對(duì)射流孔和出流口的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理并通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,網(wǎng)格數(shù)約為56萬(wàn)。多孔壓電風(fēng)扇的部分幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)參考課題組的前期研究成果[20],壓電風(fēng)扇聲流換能層高度為0.1 mm,射流層高度為1.35 mm,射流孔直徑為0.2 mm,出流口直徑為0.7 mm。射流孔均勻分布在射流板的中心截面內(nèi),射流孔的數(shù)量分別取1、3、5、7、9,射流孔的數(shù)量越多說(shuō)明射流孔的布置越密集。

圖7 流場(chǎng)域網(wǎng)格圖

仿真計(jì)算過(guò)程中,壓電換能器對(duì)壓電風(fēng)扇的激勵(lì)采用位移函數(shù)表示,該位移函數(shù)包含時(shí)間t和空間位置坐標(biāo)(x,y)兩個(gè)維度的變量。壓電換能器在oxy平面內(nèi),振動(dòng)方向?yàn)閦軸方向,采用的函數(shù)表達(dá)式為

s(t,x,y)=Ag(x,y)sin(2πft)

(1)

式中,A為壓電換能器振幅;f為換能器振動(dòng)頻率;R為換能器的有效半徑。

對(duì)式(1)進(jìn)行微分得到壓電換能器的振動(dòng)速度表達(dá)式:

v(t,x,y)=2πfAg(x,y)cos(2πft)

(2)

將壓電換能器的振動(dòng)速度函數(shù)添加到流場(chǎng)域振動(dòng)激勵(lì)邊界,由此模擬在換能器激勵(lì)下形成的氣體射流。壓電換能器的振動(dòng)頻率f取20 807 Hz,振幅A設(shè)為0.24 μm,有效半徑R為9 mm。應(yīng)用FLUENT流場(chǎng)仿真軟件分析得到壓電風(fēng)扇的氣體出流口上方的速度云圖,采用三維瞬態(tài)計(jì)算方式,湍流模型為k-ε模型,時(shí)間步長(zhǎng)為6×10-7s。壓電換能器的振動(dòng)周期為T(mén),計(jì)算得到多孔壓電風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣體0.5T時(shí)刻的流場(chǎng)速度云圖,見(jiàn)圖8。隨著射流孔數(shù)量的增大,單個(gè)射流孔的氣體驅(qū)動(dòng)能力有所下降,但多個(gè)射流孔的整體氣體驅(qū)動(dòng)能力累加效果得到加強(qiáng),這說(shuō)明多孔射流方案可以有效提高壓電換能器輻射聲場(chǎng)能量的綜合利用效率。

(a)單孔 (b)三孔

(c)五孔 (d)七孔

3 試驗(yàn)測(cè)試與分析

多孔壓電風(fēng)扇氣體流速測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示。主要試驗(yàn)儀器包括信號(hào)發(fā)生器(RIGOL DG1022Z)、功率放大器(AIGTEK ATA2021H)、示波器(RIGOL DS1054Z)和熱線式風(fēng)速計(jì)(臺(tái)灣泰仕TES-1341N)等。信號(hào)發(fā)生器和功率放大器為多孔壓電風(fēng)扇提供電壓和頻率可調(diào)的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào),多孔壓電風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣體的流速由熱線式風(fēng)速計(jì)測(cè)量,測(cè)量精度為0.01 m/s。壓電風(fēng)扇由出流口向外噴射氣體,氣體流速隨著遠(yuǎn)離出流口而降低。壓電風(fēng)扇氣體流速測(cè)試過(guò)程中,將風(fēng)速計(jì)的測(cè)試端布置在出流口上方20 mm處。

圖9 樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

3.1 單孔壓電風(fēng)扇性能對(duì)比試驗(yàn)

由壓電換能器的聲場(chǎng)仿真分析結(jié)果可知,在第六階振型下壓電換能器中心區(qū)域的輻射聲壓最大,而周邊區(qū)域聲壓逐漸減小,由此可以推斷射流孔的布置位置會(huì)對(duì)壓電風(fēng)扇性能產(chǎn)生直接影響。為驗(yàn)證射流孔的布置位置對(duì)壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能的影響,選擇不同射流孔位置參數(shù)的壓電風(fēng)扇樣機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)。當(dāng)射流孔處于以射流板中心為圓心、半徑為r的圓環(huán)上時(shí),則稱(chēng)此射流孔為中心距r射流孔,如圖10所示。當(dāng)r=0時(shí),射流孔位于射流板的中心,隨著r值的增大,射流孔向射流板的周邊移動(dòng)。

圖10 射流孔位置示意圖

首先,選擇不同的射流孔和出流口布置位置(r分別取0、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm)制作射流板和擋流板,進(jìn)而制作相應(yīng)的單孔壓電風(fēng)扇試驗(yàn)樣機(jī)并測(cè)試其性能。設(shè)定單孔壓電風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電壓Vpp為60 V,利用風(fēng)速計(jì)測(cè)試不同驅(qū)動(dòng)頻率下壓電風(fēng)扇出流口上方的氣體流速,試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。中心區(qū)域開(kāi)孔(r=0)的壓電風(fēng)扇氣體驅(qū)動(dòng)性能最佳,且隨著射流孔位置遠(yuǎn)離中心區(qū)域,壓電風(fēng)扇的氣體流速逐漸降低。這說(shuō)明單孔壓電風(fēng)扇的氣體射流強(qiáng)度與射流孔位置之間存在密切關(guān)系,在輻射聲壓最大的中心區(qū)域上方設(shè)置出流口,壓電風(fēng)扇的氣體射流強(qiáng)度最大。該試驗(yàn)同時(shí)說(shuō)明,壓電換能器在驅(qū)動(dòng)頻率為20.4 kHz時(shí)達(dá)到第六階諧振狀態(tài),壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng),對(duì)于r為0、2 mm、4 mm、6 mm和8 mm的5種樣機(jī),壓電風(fēng)扇的最大風(fēng)速分別為1.9 m/s、1.59 m/s、1.32 m/s、0.88 m/s和0.36 m/s,其中心區(qū)域輻射聲場(chǎng)最強(qiáng),遠(yuǎn)離中心區(qū)域的聲場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)減弱,但仍有較強(qiáng)的氣體驅(qū)動(dòng)能力。若在射流板和擋流板上設(shè)置多個(gè)射流孔和出流口,則可以實(shí)現(xiàn)壓電換能器輻射聲能的綜合利用,提高多孔壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)能力。

圖11 單孔壓電風(fēng)扇性能曲線

3.2 多孔壓電風(fēng)扇性能對(duì)比試驗(yàn)

壓電換能器作為面聲源向其周?chē)椛渎暡?壓電風(fēng)扇通過(guò)采用多孔出流的方式來(lái)提高壓電換能器輻射聲能的利用率。由多孔壓電風(fēng)扇的流場(chǎng)仿真分析結(jié)果可知,射流孔的布置密度對(duì)壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能有直接影響,合理選擇射流孔的布置密度將大幅提高多孔壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能。

在前面單孔壓電風(fēng)扇性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上,制作具有不同射流孔布置密度的多孔壓電風(fēng)扇試驗(yàn)樣機(jī)。射流孔在射流板上的特定區(qū)域內(nèi)采用等間距均勻布置,射流孔的具體分布規(guī)律如圖12所示。在以射流板中心為圓心、直徑d=16 mm的圓內(nèi)開(kāi)設(shè)不同數(shù)量的射流孔,并且各相鄰射流孔之間采用等間距均勻排布方式,同時(shí)以直徑d=16 mm的圓內(nèi)射流孔的數(shù)量N來(lái)表示射流孔在射流板上的布置密度。為了獲得射流孔布置密度對(duì)多孔壓電風(fēng)扇氣體驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律,下面分別制作N為5、9、13、21、57、89、137和221共8類(lèi)多孔壓電風(fēng)扇樣機(jī),并對(duì)這8類(lèi)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。

圖12 射流孔分布規(guī)律

設(shè)定驅(qū)動(dòng)電壓Vpp為60 V,對(duì)上述8類(lèi)樣機(jī)進(jìn)行氣體驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試,結(jié)果如圖13所示。結(jié)果顯示,隨著單位面積上射流孔布置密度的增加,多孔壓電風(fēng)扇出流口上方的氣體射流速度先增大后減小,存在最佳的射流孔布置密度。試驗(yàn)測(cè)得,8類(lèi)樣機(jī)中的89孔壓電風(fēng)扇的性能最佳,當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為20.4 kHz時(shí),其驅(qū)動(dòng)氣體的最大流速為3.7 m/s。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,采用多射流孔方案可以提高壓電換能器的聲能利用效率,進(jìn)而提高壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能,但過(guò)大的射流孔布置密度會(huì)抑制多孔壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能。存在最優(yōu)的射流孔布置密度,使多孔壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能最佳。

圖13 多孔壓電風(fēng)扇性能曲線

3.3 壓電風(fēng)扇電壓特性試驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)電壓直接影響壓電換能器的輻射聲場(chǎng)的強(qiáng)度,并進(jìn)一步影響壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)能力。在上述單孔和多孔壓電風(fēng)扇性能測(cè)試試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選擇中心開(kāi)孔的單孔壓電風(fēng)扇,以及57孔和89孔的多孔壓電風(fēng)扇,分別進(jìn)行電壓特性試驗(yàn)。

首先保持驅(qū)動(dòng)頻率為20.4 kHz,改變壓電換能器的驅(qū)動(dòng)電壓,測(cè)得不同驅(qū)動(dòng)電壓下壓電風(fēng)扇的氣體流速曲線,如圖14所示。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大,壓電風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣體的流速逐漸增大。在驅(qū)動(dòng)電壓Vpp為90 V、驅(qū)動(dòng)頻率為20.4 kHz時(shí),中心開(kāi)孔的單孔壓電風(fēng)扇的氣體流速為2.2 m/s,57孔壓電風(fēng)扇的氣體流速為4.1 m/s,89孔壓電風(fēng)扇的氣體流速為4.7 m/s。

圖14 壓電風(fēng)扇電壓特性曲線

4 結(jié)論

基于合成射流原理的壓電超聲氣體驅(qū)動(dòng)器具有能量密度高的特點(diǎn),為提高其聲能利用效率,提高壓電氣體驅(qū)動(dòng)器的氣體驅(qū)動(dòng)性能,提出一種采用晶片型壓電換能器激勵(lì)高強(qiáng)聲場(chǎng)并誘導(dǎo)氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)的多孔壓電風(fēng)扇,對(duì)其輸出特性進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究,具體結(jié)論如下:

(1)壓電換能器可產(chǎn)生超聲頻率的強(qiáng)聲場(chǎng),在驅(qū)動(dòng)頻率為20 807 Hz的正弦波電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下,壓電換能器獲得第六階諧振狀態(tài),其中心區(qū)域振幅最大且聲場(chǎng)最強(qiáng),可使聲能集中在壓電換能器的中心區(qū)域,為多孔式合成射流壓電風(fēng)扇提供高效的聲場(chǎng)激勵(lì)。

(2)單孔壓電風(fēng)扇的射流孔布置位置對(duì)壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能有直接影響,隨著射流孔遠(yuǎn)離中心,壓電風(fēng)扇的性能逐漸下降;試驗(yàn)測(cè)得,中心開(kāi)孔的單孔壓電風(fēng)扇在90 V電壓驅(qū)動(dòng)下,其驅(qū)動(dòng)氣體流速達(dá)到2.2 m/s。

(3)采用多個(gè)射流孔的設(shè)計(jì)可以有效提高壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能,隨著射流孔數(shù)量的增大,壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能先提高后降低,存在最佳的射流孔布置密度使多孔壓電風(fēng)扇的氣體驅(qū)動(dòng)性能最佳;試驗(yàn)測(cè)得89孔壓電風(fēng)扇在90 V電壓驅(qū)動(dòng)下,其驅(qū)動(dòng)氣體流速達(dá)到4.7 m/s。