本发明属于无线输电系统
技术领域：
，具体涉及一种基于声聚焦的无线输电系统。
背景技术：
：无线输电作为一个新兴的技术逐渐得到了国内外的高度重视。在工业中，在一些特殊的场合例如矿井、油田和水下探测等场合传统的有线接触式供电，触点容易由于摩擦导致电火花，增加爆炸的可能性，进而引发严重的事故。在给一些运动设备进行供电时，目前主要采用的是滑动接触供电，这种供电方式存在接触火花、导线裸露等缺点。在生活方面，随着各种便携式电子产品的普及以及物联网技术的发展，尤其是手机等移动终端的发展，便携式电子产品的频繁充电需求以及各种各样充电器线缆互相缠绕给人们的生活造成了极大的不便。在医学方面，植入式体内医疗设备的供电也存在很大的不便。上述有线输电存在的问题急需一种无线输电来解决。相对于传统的有线输电，无线输电的供电在安全性、可靠性、便捷性等方面有着独特的优势。近年来，国内外关于无线输电进行了相关研究，但以声波作为电能的传输方式，却没有得到足够的重视。因此，提出一种基于声聚焦的无线输电系统具有很好的发展前景。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于声聚焦的无线输电系统，该系统结构设计合理，能够通过传输介质(空气)实现声波在传输过程中聚焦到空间的某一个位置实现电能到声能，声能到电能的转换。本发明是通过以下技术方案来实现：本发明公开的一种基于声聚焦的无线输电系统，包括声能生成单元、声能集中单元和声能回收利用单元，声能回收利用单元通过声能集中单元获得声能生成单元产生的无线电能；所述声能生成单元包括驱动信号单元、功率放大单元和能量发射单元，驱动信号单元的输出端与功率放大单元的输入端相连接，功率放大单元的输出端与能量发射单元相连接；声能回收利用单元包括能量接收单元和整流升压滤波单元，能量接收单元的输出端与整流升压滤波单元的输入端相连接；声能集中单元设置在能量发射单元和能量接收单元之间，通过声聚焦器接收能量发射单元发出的声波并将其聚焦后发送给能量接收单元。优选地，声能生成单元中，驱动单元生成的驱动信号经过功率放大单元的功率放大电路控制能量发射单元中的能量发射器，将电能转换成声能并发送给声能集中单元。优选地，声能回收利用单元中，能量接收单元用于接受聚焦的声能并将其转换成电能；整流升压滤波单元将能量接收单元的输出交流电变成直流电并达到稳定的电压进行输出。声聚焦器与能量发生单元之间存在距离间隔，能够将声能进行聚焦；能量接收单元置于声聚焦器的聚焦点上，能够将聚焦的声能转换成为电能。所述声聚焦器的声学超表面结构由四个共振腔相连而成，每个共振腔开口长度为1.5mm，该声学超表面结构总长度为41mm，厚度为1mm，宽度可调。能量接收单元所采用的能量接收器的表面声阻抗匹配层采用四分之一波长匹配层，由外到内依次设置：石蜡层、酚醛树脂层、普通玻璃层及pvdf压电薄膜层。整流升压滤波单元中采用ltc3588-1集成能量回收模块，能够将pvdf压电薄膜层输出的能量转化为直流电输出。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明公开的基于声聚焦的无线输电系统，包括声能生成单元、声能集中单元和声能回收利用单元。声能生成单元包括驱动单元、功率放大单元和能量发射单元，该部分用于电能到声能的转换。声能集中单元通过声聚焦器完成声能集中。声能回收利用单元包括能量接收单元和整流升压滤波单元，能量接收单元将声能转换成电能并送至整流升压单元输出电能。该发明与传统的有线输电相比完成了无线输电，在供电安全性、可靠性、便捷性等方面无线输电具有独特的优势。该发明与目前磁场无线输电相比采用了声能输电，为无线输电开辟了一个新的方式。本发明基于声聚焦的无线输电系统，通过声聚焦器将声波在空间中能尽可能的收集聚焦，使声能汇聚在能量接收单元位置，减少声波在目标区域以外的地方的能量散失，提升了整个能量传输的效率。进一步地，声聚焦器的声学超表面结构由四个共振腔相连而成，每个共振腔开口长度为1.5mm，该声学超表面结构总长度为41mm，厚度为1mm，宽度可调，声学超表面的这种结构设计使其具有非常优异的聚焦功能。附图说明图1为本发明的一种基于声聚焦的无线输电系统的原理图；图2为本发明的声聚焦器声学超表面单元结构；图3为本发明的透射相位变化；图4为本发明的聚焦声压分布；图5为本发明的聚焦能量分布；图6为本发明的能量接收器表面声阻抗匹配层示意图；图7为本发明的整流升压电路框图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。本发明公开的基于声聚焦的无线输电系统，包括声能生成单元、声能集中单元和声能回收利用单元，声能回收利用单元通过声能集中单元获得声能生成单元产生的无线电能；所述声能生成单元包括驱动信号单元、功率放大单元和能量发射单元，驱动信号单元的输出端与功率放大单元的输入端相连接，功率放大单元的输出端与能量发射单元相连接；声能回收利用单元包括能量接收单元和整流升压滤波单元，能量接收单元的输出端与整流升压滤波单元的输入端相连接；声能集中单元设置在能量发射单元和能量接收单元之间，通过声聚焦器接收能量发射单元发出的声波并将其聚焦后发送给能量接收单元。声能生成单元中，驱动单元生成的驱动信号经过功率放大单元的功率放大电路控制能量发射单元中的能量发射器，将电能转换成声能并发送给声能集中单元。声能回收利用单元中，能量接收单元用于接受聚焦的声能并将其转换成电能；整流升压滤波单元将能量接收单元的输出交流电变成直流电并达到稳定的电压进行输出。实施例1参见图1，图1为本实施例的结构原理图，从图中可以看出，驱动信号电路、功率放大电路、能量发射器、声聚焦器、能量接收器、整流升压滤波电路依次连接。驱动信号电路，用于发出驱动信号控制能量的释放；能量发射器连接功率放大电路，作用是将大信号的电压电流进行能量转换，将电能转换成声能；声聚焦器与能量发射器保持一定距离放置，作用是将声能进行收集聚焦。这里使用声聚焦器的原因是直接经过能量发射模块发射的能量，很难聚焦特定的能量回收区域内，在能量传输过程中存在很强的能量耗散，为了提升声波在传输途径中的损耗，将整个能量集中在一个较小的区域内，提高整个系统的电能转化效率，基于声聚焦的无线输电的核心是将空气中耗散开的能量聚焦起来。本发明采用的声聚焦器具有声学超表面，声学超表面可以更好的实现对平面声波的聚焦作用。为了验证声聚焦器的聚焦效果，建立声学超表面模型，，计算了声压场和能量场分布。采用建立结构模型，设定材料参数，划分网格，设置边界条件，求解频率。背景介质都是空气，单元和超表面材料都是abs树脂，四周边界条件都是完美匹配层。设计的透射共振型声学超表面单元结构如图2所示，由四个共振腔组成，每个开口长度固定为1.5mm，结构中所有的厚度为1mm，结构总长为41mm，宽度为h，可以通过控制宽度h的大小调控透射相位大小。建立如图2所示结构的有限元模型，采用comsol软件进行模拟仿真，研究频率选择3100hz，测得在该频率下透射相位和宽度h的对应关系，左右采用平面波辐射边界，上下采用周期性边界条件。边框视为声学硬边界，声波在其表面没有吸收完全反射，幅值为1pa的平面波声波由左侧入射该超表面单元，测得右侧出口处的透射波相位大小，参数化扫描宽度h，即宽度h从2mm以0.05mm为步长逐渐变化到13mm，其他结构尺寸大小不变，测得透射波的透射相位大小，绘制如图3所示的相位分布和宽度h之间的关系图。从图3中可以发现，宽度h由2mm变化到13mm透射相位由360°减小到0°，即透射波相位变化一个周期。为以后设计透射型声学超表面提供数据支持，可以通过设计宽度h的大小控制相位分布。为了展示设计的声学超表面对声波的任意调控特性，设计声学聚焦超表面实现对垂直入射的平面声波的聚焦功能。设计的声学超表面采用43个如图2所示单元结构所组成，设中心点处的相位为φ(0)，其他沿着y轴方向的相位为φ(y)，相位差δφ(y)为：δφ(y)＝φ(y)-φ(0)(1)如果δφ(y)满足：式中：k0为波矢；f为焦距。研究频率f＝3100hz，空气中的声速c＝343m/s，对应的工作波长λ＝c/f＝110.6mm。设计的焦距f＝3λ＝331.9mm。为了使设计的声学超表面可以更好的实现对平面声波的聚焦作用，透射共振型声学超表面采用43个共振单元结构来构造，43个单元的具体结构尺寸和透射相位沿着y轴的分布如表1所示。除了结构单元的宽度h变化外，其他尺寸均保持不变，通过参数h的变化即可实现对透射波相位的控制，参数h的选择来源于图3。表1中结构单元的分布关于y轴对称，聚焦焦点在x轴轴线的负半轴上，相邻结构单元之间的距离为定值15mm。表1聚焦声学超表面相位分布和单元尺寸为了验证本发明设计的声学超表面具有很好的声波聚焦能力，利用有限元软件comsol进行建模仿真，幅值为1pa的平面声波由声学超表面右侧入射即沿着x轴负方向传播，在经过设计的声学超表面之后，声波被很好的聚焦在设计的焦点(-331.9，0)处。图4为聚焦的声压场分布，图中可以看出，平面声波在经过设计的声学超表面前后，场图的颜色变化不大，表明声压大小在超表面前后变化不大，所设计的声学超表面具有很高的透射效率。为了更好的显示焦点处的位置，绘制聚焦的能量场分布如图5所示，在图中可以很明显观察出聚焦焦点的位置，图中红色区域能量最为集中为焦点位置，和理论设计的焦点位置一致。说明本发明设计的具有声波聚焦功能的声学超表面的正确性，还反映了共振透射单元可以用来设计声学超表面，不仅可以调控声波的透射相位，还具有很高的透射效率。也说明本发明设计的透射共振型声学超表面可以用来调控声波的传播路径。能量接收模块放置于声聚焦器的聚焦点上，作用是将聚焦的声能转换成为电能；本发明为了解决由于空气和压电片之间存在着严重的声阻抗不匹配问题，导致以超声波为介质的能量回收系统的回收效率极低；解决压电材料和空气阻抗不匹配问题是整个传输效率和设备成功的关键。目前，提高能量接收模块效率的主要方法有：1、四分之一波长匹配层设计；2、辐射板纵-弯模式匹配设计；3、采用压电阵列的四分之一波长声谐振器。考虑到能量接收模块的便携移动特点，本发明采用四分之一波长匹配层设计，采用该方案的材料选取原则：1、波长损耗尽可能小2、最外层的声阻抗介于压电薄膜和空气声阻抗之间，且尽可能小(参考参数为0.04～0.3106kg/m2s)由于材料的特性限制，为了更好的匹配声阻抗，本发明采用四层匹配，从上到下依次为石蜡、酚醛树脂、普通玻璃和pvdf压电薄膜，如图6所示。具体参数指标参见表2：表2该能量回收模块使用的声阻抗匹配层的声阻抗及密度名称pvdf普通玻璃酚醛树脂石腊声速v(km/s)25.52.592.2声阻抗z((106㎏/m2s)21.220.360.2备注压电薄膜1％水溶液由最外层材料选取原则(参考参数为0.04～0.3×106kg/m2s)，本发明采用的最外层材料为石蜡，其声阻抗为0.2×106kg/m2s，考虑到pvdf压电薄膜的声阻抗为2×106kg/m2s。根据声阻抗双层匹配相关关系：其中，z0为石蜡的声阻抗0.2×106kg/m2sz为pvdf的声阻抗2×106kg/m2sz1p第一层匹配层的声阻抗z2p第二层匹配层的声阻抗因此第一层匹配层的声阻抗z1p＝0.36，因此选取的材料为酚醛树脂，其声阻抗为0.36×106kg/m2s。第二层匹配层的声阻抗z2p＝1.12，因此选取的材料为普通玻璃，其声阻抗为1.22×106kg/m2s。本发明的整流升压滤波电路连接能量接收器，作用是将收集到的交流电转换得到稳定一定电压的直流电并输出，通过压电薄膜收集的电能可以近似的认为其为正弦交流电，对于很多负载(如移动电源、手机)等不能直接供电，需要响应的转换电路将其转化为直流电，同时需要通过相应的升压模块，将电压升高到特定的值，才可以供负载直接使用；常见整流升压电路框图如图7所示；pvdf压电薄膜产生的电压和电流相对比较微弱，而且能量一般较小。为了减低能量在交流转直流电路和直流升压电路中的损耗，高效的将压电薄膜产生的能量输出，本发明采用的是ltc3588-1集成能量回收模块。该模块可以直接将压电薄膜输出的能量转化为直流电输出。当前第1页12