一种压电发电机流体动力声源激振方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种压电发电机流体动力声源激振方法，设及利用气流诱发声波的流 体动力声源、激励压电换能器输出电能的装置，属于气流压电发电技术领域。
【背景技术】
[0002] 振动压电发电机关键在于高效机电能量转换和高功率采集电路。各种高功率采集 电路，无论是使用标准接口电路，还是基于开关的同步电路，其理论和设计较成熟，已开发 各种低损耗能量采集电路，结构基本相同。机电换能器的关键在于高性能压电材料或压电 复合材料，及其制备工艺，运属于材料领域。振动式压电换能系统的采集功率决定于输入 振动信号的频率、发电器的质量、压电换能装置的机电禪合系数等，为了满足发电机输出功 率、电压值，如何更加有效地将自然存在的气流转化为电能，是当前世界性的难题之一。目 前，气流压力直接作用于压电换能器发电机，一般是悬臂梁式机械激励结构和多层压电换 能器，存在尺寸大、结构复杂、产品合格率低等问题。
[0003] 振源来自环境中风、气流的振动压电发电机，是一种清洁的再生能源。激励来自工 作环境中的自然风(或迎面空气产生的气流)的供电系统，其风速低，范围1~lOm/s，即1~ 5级的微风、和风，发电机都采用水平轴或垂直轴满轮式旋转结构，靠风或气流直接推动满 轮叶片转动激励的磁电换能器发电。对于一般设备或系统的自供电系统来说，满轮发电机 存在安装场地困难、体积庞大、结构复杂，叶轮、满轮等活动零件强度低、噪声大，磁电换能 易造成电磁污染等问题。
[0004] 中国发明专利"一种基于压电效应的微风发电装置"(专利号：CN201210277507. 2， 南京航空航天大学周成锋等)，公开了 一种基于压电效应的微风发电装置，包括底板W及设 置在底板上的压电阵子和升力型风机，在升力型风机的转轴上连接有带齿的凸轮，压电阵 子均布在凸轮的外侧，凸轮的齿顶为尖顶，凸轮的齿数为N，压电阵子的个数为M，最低时 速4公里的微风环境中工作，输出功率达到15mW。该发明采用旋转的风机和凸轮齿激励压 电振子，系统强度低，抗干扰能力低，结构复杂、体积偏大。
[0005] 美国专利"Forced vibration piezo generator and piezo actuator Sapir"(专 利号：US 8040022，Sapir; Itzhak Irvine, CA),公布了一种使用一个或多个悬臂梁式压 电阵列的气流致振压电发电机，压电发电系统包括多个压电发生器模块，每个压电发电机 模块包括多个压电悬臂梁和流体压力调节器，流体压力调节器设置在每个悬臂梁上，有节 流活塞和排气孔。该发明依靠直线运动的活塞机构来调节气流和悬臂梁式压电阵列，同样， 存在系统强度低、抗干扰差、结构复杂、体积大的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种压电发电机流体动力声源激振方法，是将外部气流调节后产生声 波，由该流体动力声源激励压电换能器振动，来实现振动-电能的转换，可制成一种气流致 声振动压电发电机。
[0007] 本发明所述的一种压电发电机流体动力声源激振方法，其特征在于： 一个等截面环隙进气口：提供狭窄状侧隙，具有流态转换快、趋于均匀快、整流作用明 显、气流速度均匀对称恢复能力强等优点，转换点紧靠进气口。
[0008] -个维多辛斯基喷嘴：提供进气道内速度场发展分布均匀快的端流、喷嘴出流口 形成旋满脱落诱发脉动压力场的喷注，能够提高喷嘴的工作效率。
[0009] -个流体动力声源：在喷嘴、空腔和声管=者之间的禪合作用下，旋满脱落的脉动 压力场冲击突变截面声管口部尖棱，产生边棱音，形成较高频、小振幅流体动力声源，并且 旋满脱落频率被声波频率所俘获，为压电换能器提供稳定的振动频率。
[0010] 一个气流致声强制振动机构：突变截面收缩声管和周边固定压电片构成的强制振 动结构，使旋满诱发的声波全反射叠加，在声管内合成声压振幅达到极大值形成驻波，声强 被放大，提高振动频率和压电换能器的输出电能。
[0011] 本发明研制流体动力声源激振的压电发电机，包括等截面环隙进气口、维多辛斯 基喷嘴、突变截面声管、周边固定压电片。喷嘴-声管激振的气流致声激振过程，是一个复 杂的非线性过程，由"满街"、边棱音、空腔-声管结构S者的流-声-固禪合作用而形成，有 利于提高压电换能器转换效率和发电机输出功率。
[0012] 外部气流经过等截面环隙进气口、维多辛斯基喷嘴的气流调节，在近管口处迅速 转换为端流，使得在一个收缩喷口能够形成喷注，诱发旋满和脱落现象，产生周期性"卡口 满街"压力场，在一个带尖棱的突变截面声管口部生成边棱音，经声管反射的声波在收缩喷 口与"满街"禪合，发生旋满脱落频率被反射声波频率所俘获的现象，声波声强被放大并很 快在声管内合成稳定的驻波，压电换能器和驻波谐振。在声波到达压电换能器之前放大了 声源频率，在相同的时间内能够产生更多的振动，从而使得压电换能器的输出电能最大，提 供几十至几百毫瓦电功率。
[0013] 本发明的积极效果在于： 本发明利用气流流过管道后气流产生的变化特性和声波在空腔、管孔内传播引起结构 振动的特性，提供了一种新型的无活动零件的气流致声压电发电强制振动装置，具有机械 自调制气流激发流体动力声源的非线性振动机械系统，满足汽车、无人驾驶车辆、武器应用 系统、航天航空系统、机器人、城市或小区照明等各种领域的应用系统自供电的需求，充分 利用清洁的可再生能源，具有重要的理论价值和工程指导意义。
[0014]
【附图说明】： 图1为本发明整体结构原理图； 图2为本发明气流流动示意图； 图3为本发明堵塞1结构原理图； 图4为本发明声管4结构原理图； 图5为本发明喷嘴2结构原理图； 图6是恒定气压的入流速度-声管底部振动压力频率曲线。
[0015] 图7是不同声管长度下入流速度与声管底部振动压力频率的测试曲线； 图8是不同喷嘴-声管间距H下入流速度与声管底部振动压力频率的测试曲线； 图9为入流速度与压电换能器输出单相交流电压曲线； 图10为入流速度为53m/s时，压电换能器输出电压随时间的变化曲线； 图11为输出电压有效值U与负载R的关系，结果表明，阻抗匹配下，电压有效值稳定； 图12、图13分别为输出功率和转换效率与负载的关系； 图中，1、堵塞；2、喷嘴；3、外壳；4、声管；5、压电换能器；6、外端盖板；7、排气口；D、进 气口；E、空腔化；Q1、外部气流；Q2、端流；F、收缩口；G、尖棱。
【具体实施方式】
[0016] 下面的实施例可W使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不W任何方式限制 本发明。
[0017] 实施例1 根据图1~图5所示，本发明装置主要由包括进气口 D、喷嘴2、声管4构成的振动结构、 固定在声管4底部的压电片5 ;其中，外壳3的一端与堵塞1形成进气口 D，喷嘴2内孔是维 多辛斯基结构；另一端顺序排列有