声管4、压电片5,通过外端盖板6与外壳3固连，并将压 电片5紧压在声管4末端；喷嘴2与声管4间留有空腔E。
[0018]如图3所示，所述的进气口 D为外壳3与堵塞1形成的狭窄状侧隙，堵塞1是外螺 纹结构，圆柱基本体上1/2半径处两对称平面锐削成结构。
[0019] 如图5所示，所述的喷嘴2为变截面收缩气道，内部流道形线为维多辛斯基曲线； 喷嘴2与声管4同轴，通过堵塞1紧压在外壳3上；喷嘴2的收缩口 F置于空腔E内，与声 管4前端口距离H，构成一个声波正反馈系统。
[0020] 如图4所示，所述的声管4为具有声波分界面0-0的突变截面收缩管，声管直径D2 和D3与声波波长i之比小于0. 5,声管长度Bl与声波波长i之比等于0. 25,通过盖板6 紧压；声管4前端口有内倒角构成尖棱G，对准喷嘴2的收缩口 F ;声管4末端外侧放置压电 片5构成固有频率等于声波频率的压电换能器；声波频率/与声速C、声管长度Bl满足关 系式
[0021]所述的压电片5由压电PZT陶瓷制成，置于声管4的底部，由盖板6夹紧，构成声 管4的刚性壁面M-M。
[0022] 所述的外壳3在空腔E位置周向开有8个垂直轴或倾斜的排气孔7,前端与堵塞 1、后端与盖板6螺纹连接，中间段与喷嘴2、声管4间隙配合。
[0023] 如图2所示，外部气流Ql多为层流，经过进气口 D迅速转换为端流Q2,经过喷嘴2 的收缩口 F在空腔E内形成喷注，喷注通过空腔E时与腔内静止的空气相遇，喷注的边界上 因高速流与静止介质的接触，发生旋满和脱落现象，产生一个周期性变化的"卡口满街"压 力场，W压缩波的形式向声管4传播，在声管4前端口的尖棱G生成边棱音，声波经声管4 内的直径D2孔、直径D3孔到达分界面0-0时将反射和透射，透射波到达刚性壁面M-M也反 射，反射回收缩口 F的声波与"满街"禪合放大声强，"满街"的旋满脱落频率被反射声波频 率所俘获并放大，最终在声管4内合成驻波频率等于俘获频率，压电换能器和驻波谐振，振 幅达到最大值，压电换能输出功率最大。
[0024] 图6是恒定气压的入流速度-声管底部振动压力频率曲线。结果表明，压力频率 明显地被放大了，随着入流速度的变化测得声管底部M-M面上振动压力频率几乎不变。
[0025] 图7是不同声管长度Bl下入流速度与声管底部M-M面上振动压力频率的测试曲 线，结果表明，声管长度BI是决定振动压力频率的主要参数，短管频率更大。
[0026] 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， 结果表明，不同间距H下，声波频率和振动压力频率几乎不变。
[0027] 图9为入流速度与压电换能器输出单相交流电压曲线，结果表明，随着入流速度 的增加压电换能器的输出电压增大。
[0028] 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，电压幅值稳 定，峰峰值在4V W上，频率达到7. 576曲Z。
[0029] 图11为输出电压有效值公与负载成关系，结果表明，阻抗匹配下电压有效值稳定。
[0030] 图12、图13分别为输出功率和转换效率与负载关系，结果表明，阻抗匹配下输出 功率高达SOmW W上，转换效率高于1. 2。
【主权项】
1. 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，具有流态转捩快、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，转捩点紧靠进气口； 一个维多辛斯基喷嘴：提供进气道内速度场发展分布均匀快的湍流、喷嘴出流口形成 旋涡脱落诱发脉动压力场的喷注，能够提高喷嘴的工作效率； 一个流体动力声源：在喷嘴、空腔和声管三者之间的耦合作用下，旋涡脱落的脉动压力 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，并且旋涡 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； 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，使旋涡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，放大声 强，提高振动频率和压电换能器的输出电能； 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，在近管口处迅速转捩 为湍流，使得在一个收缩喷口能够形成喷注，诱发旋涡和脱落现象，产生周期性"卡门涡街" 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 "涡街"耦合，发生旋涡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。2. -种流体动力声源激振的压电发电机，包括进气口、喷嘴、声管构成的振动结构、固 定在声管底部的压电换能器；其中，外壳的一端与堵塞形成进气口，喷嘴内孔为变截面收缩 气道；另一端顺序排列有声管、压电片，通过外端盖板与外壳固连，并将压电片紧压在声管 末端；喷嘴与声管间留有空腔。3. 根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于： 所述的堵塞为扁圆柱体结构，镶嵌在外壳内形成的狭窄状侧隙构成进气口；所述的喷 嘴内孔流道形线为维多辛斯基曲线。4. 根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于： 喷嘴与声管同轴，通过堵塞紧压在外壳上；喷嘴的收缩口置于空腔内，与声管前端口保 持一定距离，构成一个声波正反馈系统。5. 根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于： 所述的声管前端口有内倒角构成尖棱，对准喷嘴的收缩口；声管末端外侧放置压电片 构成固有频率等于声波频率的压电换能器。6. 根据权利要求2所述的一种气流致声压电发电强制振动装置，其特征在于： 所述的外壳在空腔位置周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔，前端与堵塞、后端与盖 板螺纹连接，中间段与喷嘴、声管间隙配合。
【专利摘要】本发明提供一种压电发电机流体动力声源激振方法，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。
【IPC分类】H02N2/18
【公开号】CN105391345
【申请号】CN201511009837
【发明人】陈荷娟, 邹华杰, 孙加存, 蔡建余, 聂伟荣, 赖长缨, 杨坚, 张健, 谭菊琴, 吴朝阳, 姜节波
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年12月30日