一种基于功率超声降低高速物体空气阻力的方法及装置与流程

本发明涉及空气减阻技术领域，尤其涉及一种基于功率超声降低高速物体空气阻力的方法及装置。

背景技术：

对于高速运动的物体，其很大一部分动力主要用来克服空气阻力。以超高速飞行器为例，其运动时的阻力几乎全部来自空气阻力。当高速运动物体的速度达到音速级别时，前方急速冲来的空气不能够像平常一样通过机身扩散开，于是气体都堆积到了飞行体的周围，产生极大的压力，空气阻力随马赫数的微小上升而急剧增大，影响其飞行速度，并增加其能耗。

目前降低高速飞行器空气阻力的方法有被动减阻、逆向喷流减阻、边界层控制减阻、能量沉积减阻、表面微结构减阻等技术，但是这些减阻方法消耗能量过大、易导致局部过热、或对空气减阻的效果不能满足实际要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种结构简单、能耗低以及通用性强的基于功率超声降低高速物体空气阻力的方法及装置，以解决高速物体因阻力影响其速率，并增加高速物体功耗的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于功率超声降低高速物体空气阻力的方法，包括以下步骤：

s1、确定高速物体上受空气阻力最大的位置，至少选取高速物体的壳体内壁上与该位置对应的位置作为安装点；

s2、在所述安装点安装功率超声换能装置，所述功率超声换能装置的超声波发射部紧贴在所述高速物体的壳体内壁，并能够向设定的方向发射超声波，使所述高速物体的壳体产生振动。

进一步地，所述高速物体为高速汽车、火车、高速动车组列车、飞机、火箭和导弹中的任一种。

本发明还提供了一种基于功率超声降低高速物体空气阻力的装置，包括功率超声换能装置和超声波电源，所述功率超声换能装置与所述超声波电源电连接；

所述功率超声换能装置安装在高速物体的壳体内壁，且安装位置与所述高速物体上受空气阻力最大的点相对应；

所述功率超声换能装置包括第一盖板、第二盖板、锁紧螺栓和压电陶瓷部，所述压电陶瓷部设置在所述第一盖板和所述第二盖板之间，所述锁紧螺栓穿过所述第一盖板、压电陶瓷部后与所述第二盖板连接。

优选地，所述压电陶瓷部包括至少一个压电陶瓷环，每个所述压电陶瓷环的两端分别设有金属极板，且两端的所述金属极板分别作为该压电陶瓷环的正极和负极。

另一个实施方式中，所述压电陶瓷部包括偶数个压电陶瓷环，相邻的压电陶瓷环的相邻端共用一个金属极板，作为两个相邻压电陶瓷环共用电极。

优选地，还包括超声波变幅杆和超声波工具头，其中，所述超声波变幅杆的一端与所述第二盖板连接，另一端与所述超声波工具头连接。

优选地，所述功率超声换能装置与所述超声波电源之间设有阻抗匹配器。

优选地，所述阻抗匹配器集成在所述超声波电源上。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的基于功率超声降低高速物体空气阻力的方法，通过在高速物体的壳体内壁上且与高速物体受空气阻力最大的位置相对应的位置处安装功率超声换能装置，所述功率超声换能装置的超声波发射部紧贴在所述高速物体的壳体内壁，并能够向设定的方向发射超声波，在运动时功率超声换能装置向运动物体的前方发射高能量超声波，撕裂集中在物体前侧的空气层，降低空气对高速物体的压差阻力。同时使高速物体的壳体、以及与壳体接触的空气产生振动，降低高速物体与空气接触面的摩擦系数，将高速物体与空气接触面静摩擦力转变为动摩擦力，大幅降低空气的摩擦阻力。

附图说明

图1是本发明实施例一高速汽车安装功率超声换能装置的示意图；

图2是本发明实施例一高速汽车另一种安装功率超声换能装置的示意图；

图3是本发明实施例一功率超声换能装置剖面结构示意图；

图4是本发明实施例二导弹安装功率超声换能装置的的示意图；

图5是本发明实施例二功率超声换能装置剖面结构示意图。

图中：1：高速物体；2：安装点；3：压电陶瓷部；31：压电陶瓷环：32：金属极板；4：第一盖板；5：第二盖板；6：锁紧螺栓；7：超声波变幅杆；8：超声波工具头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

本发明实施例提供的基于功率超声降低高速物体空气阻力的方法，包括如下步骤：

s1、确定高速物体上受空气阻力最大的点，至少选取高速物体的壳体内壁上与该点对应的位置作为安装点；

s2、在所述安装点安装功率超声换能装置，所述功率超声换能装置的超声波发射装置紧贴在所述高速物体的壳体内壁，并能够向设定的方向发射超声波，使所述高速物体的壳体产生振动。

具体地，根据高速物体的形状、体积和运动时的速度计算出高速物体上所探受空气阻力最大的位置，以及高速物体上受阻力较大的区域，至少在高速物体的壳体内壁上与受阻力最在的位置相对应的位置作为功率超声换能装置的安装点。在安装时，要保证功率超声装置的超声波发射部紧贴高速物体的壳体内壁，功率超声换能装置的超声波发生部向着调整物体前进的方向发射频率大于10khz超声波，撕裂集中在物体前侧的空气层，降低空气对高速物体的压差阻力，同时使高速物体的壳体、以及与壳体接触的空气产生振动，降低高速物体与空气接触面的摩擦系数，将高速物体与空气接触面静摩擦力转变为动摩擦力，大幅降低空气的摩擦阻力。

优选地，在高速物体受阻力较大的区域内设置一个或多个功率超声换能装置，能进一步减少高速物体所受空气阻力。一般高速物体受空气阻力最大的点及受阻力较大的区域均在高速物体的前端(运动时位于前方的一端)，功率超声换能装置向高速物体运动的前方发射超声波。

本实施例中，功率超声换能装置的功率根据高速物体前端发生高频振动所需能量进行选择。

进一步地，在高速物体壳体内壁的四周均设置功率超声换能装置，能够进一步地降低空气对高速物体的压差阻力和摩擦阻力。

具体地，功率超声换能装置能够安装在高速汽车、火车、高速动车组列车、飞机、火箭和导弹等高速物体上，在这些高速物体上设置功率超声换能器，能够简单、方便地降低高速物体运动过程中的空气阻力，且具有成本低、效果好、易实施的优点。

基于上述方法，以高速汽车为例，即高速物体1为高速汽车，此时如图1所示，为了降低空气对汽车的阻力，至少在高速汽车前端的中部附近受空气阻力较在的位置选取一个安装点2，在该安装点2安装功率超声换能装置。

如图3所示，功率超声换能装置包括第一盖板4、第二盖板5、锁紧螺栓6和压电陶瓷部3，其中，压电陶瓷部3设置在第一盖板4和第二盖板5之间，锁紧螺栓6穿过第一盖板4和压电陶瓷部3后与第二盖板5连接，压紧压电陶瓷部3。

具体地，压电陶瓷部3包括多个压电陶瓷环31，相邻的压电陶瓷环31的相邻端共用一个金属极板32，作为压电陶瓷环31的正级或负极。在最外侧的压电陶瓷环31的外端(与其它压电陶瓷环31不相邻的一端)单独设置一个金属极板32作为该压电陶瓷环31的正极或负极。

优选地，压电陶瓷环31的数量为偶数个，如图3所示，压电陶瓷部3包括四个压电陶瓷环31和五个金属极板32，其中，最左侧(以图中所示方向)的压电陶瓷环31的左端设置有一个金属极板32，最右侧(以图中所示方向)的压电陶瓷环31的右端设置有一个金属极板32，其它三个金属极板32分别为相邻的压电陶瓷环31共用。举例来说，若最左侧的金属极板32为正极，则三个共用金属极板32由左到右依次为负极、正极和负极，最右侧的金属极板32为正极，使压电陶瓷部的两端具有相同的电位。

在另一个实施方式中，压电陶瓷部3包括一个或多个压电陶瓷环31，每个压电陶瓷环31的两端分别设有金属极板32，两金属极板32分别作为压电陶瓷环31的正极和负极，每个压电陶瓷环31和设置在该压电陶瓷环31两端的金属极板32一起可以看作为一个压电陶瓷单元，多个压电陶瓷单元之间串联。

进一步地，用于为功率超声换能装置提供电力的超声波电源(图中未示出)与第一功率超声换能装置之间设有阻抗匹配器，能够进行谐振频率与阻抗的匹配，有效降低了功率超声换能装置的发热量，提高其使用寿命。优选地，阻抗匹配器集成在超声波电源上。

更具体地，超声波电源包括整流电路、逆变电路、驱动电路、信号控制电路、匹配网络、及相关保护电路，超声波电源提供三相380v、50hz工频交流电经整流电路整流后产生直流输出电压，输送至逆变电路，从而获得功率足够大的高频交流电压。信号控制电路产生一定频率的控制信号，经过驱动电路，推动逆变电路中的开关器件正常工作。所述逆变电路输出的高频交流电压通过匹配网络可以高效率、最大功率地输送至第一功率超声换能装置。

需要说明的是，超声波电源可以设置在高速物体1的内部，也可设置在指定位置，在此不做限定。

在另一种实施方式中，如图2所示，在高速汽车壳体内壁的四周均选取安装点2，在每个安装点2的位置处均设置功率超声换能装置，通过降低压差阻力和摩擦阻力，进而有效的降低汽车运动中所受空气的阻力，提高高速物体的速度、降低油耗。

还需要说明的是，在火车、高速动车组列车等高速物体1也可以同样设置功率超声换能装置，能够有效降低火车、高速动车组列车等高速物体1在运动中所受空气的阻力，提高高速物体的速度、降低油耗。

实施例二

如图4所示，在导弹前端的壳体内壁安装功率超声换能装置。当然同样也可以在飞机、火箭等超高速运动物体上设置第二功率超声换能装置。

更优选地，在导弹、飞机、火箭等超高速运动物体翼缘等迎风处相对应的壳体内壁设置功率超声换能装置，有利于进一步降低空气阻力。

如图5所示，该实施例中功率超声换能装置与实施例一中的功率超声换能装置基本相同，不同之外在于，在该功率超声换能装置还包括超声波变幅杆7和超声波工具头8。具体地，超声波变幅杆1的一端与第二盖板5连接，另一端与超声波工具头8连接，功率超声装置最终通过超声波工具头8发射超声波。

在运动过程中，功率超声换能装置向超高速物体的前方发射高能量超声波，由于速度的叠加，可以在导弹、飞机、火箭等超高速运动物体的正前方形成稳定的超声波，撕裂前面的空气层，降低激波的影响，大幅度降低空气阻力。

需要说明的是，在导弹、飞机、火箭等超高速运动物体上也可以使用实施例一中的功率超声换能装置。

综上所述，本发明提供的基于功率超声降低高速物体空气阻力的方法，通过在高速物体的壳体内壁上且与高速物体受空气阻力最大的位置相对应的位置处安装功率超声换能装置，所述功率超声换能装置的超声波发射部紧贴在所述高速物体的壳体内壁，并能够向设定的方向发射超声波，在运动时功率超声换能装置向运动物体的前方发射高能量超声波，撕裂集中在物体前侧的空气层，降低空气对高速物体的压差阻力。同时使高速物体的壳体、以及与壳体接触的空气产生振动，降低高速物体与空气接触面的摩擦系数，将高速物体与空气接触面静摩擦力转变为动摩擦力，大幅降低空气的摩擦阻力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。