小型振動(dòng)壓電發(fā)電機(jī)氣流致聲激振技術(shù)研究.pdf

1、引信技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展獲得了很大的進(jìn)步，引信從傳統(tǒng)的機(jī)械化朝著靈巧化、智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代引信對(duì)電源的要求愈來(lái)愈高，實(shí)時(shí)快速供電、安全性高、長(zhǎng)儲(chǔ)性好的引信電源，需求量更大。隨著引信小型化的發(fā)展趨勢(shì)，功能和內(nèi)部機(jī)構(gòu)或裝置不斷增多，留給電源的空間有限，因此，引信電源小體積高能量輸出的矛盾愈加突出。本論文以引信物理電源為研究對(duì)象，采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的研究方法，開(kāi)展小型振動(dòng)壓電發(fā)電機(jī)氣流致聲激勵(lì)機(jī)理、聲振動(dòng)響應(yīng)特性和發(fā)電性能的研究

2、。
　　首先，在課題預(yù)先研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算流體分析確定了短的等截面環(huán)隙進(jìn)氣道，具有進(jìn)氣口流態(tài)轉(zhuǎn)捩快、流場(chǎng)趨于均勻快、整流作用明顯、氣流速度均勻?qū)ΨQ恢復(fù)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。提出了氣流致聲、聲激振的激振方法，并設(shè)計(jì)了等截面環(huán)隙噴口-共振腔氣流致聲激振機(jī)構(gòu)，建立了基于N-S方程和SST k-ω湍流模型的氣流致聲激振仿真模型。將仿真得到的腔底壓力與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲壓曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真模型的合理性。同時(shí)，結(jié)果表明，腔底壓力呈周期穩(wěn)定變化，能形

3、成持續(xù)穩(wěn)定的振源，證明了該氣流致聲激勵(lì)機(jī)構(gòu)的可行性。
　　其次，應(yīng)用所建立的仿真模型，對(duì)等截面環(huán)隙口-共振腔激振機(jī)構(gòu)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)觀察其激振過(guò)程中的速度和壓力流場(chǎng)分布，研究穩(wěn)定射流、尖劈和共振腔三者之間的相互耦合作用下的氣流致聲激振機(jī)理。速度變化云圖顯示在共振腔尖劈附近存在旋渦脫落現(xiàn)象，壓力變化云圖顯示共振腔內(nèi)氣體壓縮、膨脹過(guò)程，共振腔內(nèi)的軸向速度與聲壓曲線關(guān)系表明共振腔內(nèi)有駐波形成。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了所產(chǎn)生的聲音頻率被共振

4、腔的聲模態(tài)頻率所俘獲的現(xiàn)象，且在高速入流作用下共振頻率會(huì)跳躍到高階模態(tài)。這一結(jié)論，驗(yàn)證了旋渦脫落產(chǎn)生邊棱音的機(jī)制，等截面環(huán)隙口-共振腔激振機(jī)構(gòu)具有頻率俘獲和放大的功能。
　　再次，進(jìn)行了氣流致聲激振機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，共振腔長(zhǎng)度、間距、環(huán)隙對(duì)激振力幅值和頻率存在不同的影響。結(jié)果表明，高速氣流下，較短共振腔能獲得幅值較大的高頻穩(wěn)定振動(dòng)信號(hào);間距與環(huán)隙存在最佳閾值，否則會(huì)使激振力幅值很小甚至無(wú)振動(dòng)信號(hào)，故設(shè)計(jì)

5、時(shí)要嚴(yán)格控制間距和環(huán)隙。另外，結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)激振力頻率的影響，給出了適用于短共振腔聲模態(tài)頻率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式;理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算值接近實(shí)驗(yàn)值。
　　然后，設(shè)計(jì)了氣流致聲壓振動(dòng)壓電發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的壓電換能裝置。建立了拾振原理的彈簧—質(zhì)量—阻尼等效模型，推導(dǎo)了壓電換能裝置的最大機(jī)械能輸出功率表達(dá)式;分析了壓電振子的工作方式，確定了壓電振子的激勵(lì)方式、振動(dòng)模式、固定方式以及其最佳工作振型;對(duì)壓電振子的受迫振動(dòng)進(jìn)行了理論分析，建立

6、了壓電振子的振電換能模型。
　　最后，對(duì)小型氣流致聲振動(dòng)壓電發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試，研究了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的激振力特性以及發(fā)電性能。數(shù)據(jù)表明，激振力幅值隨著入流速度的增大而增大，且呈線性關(guān)系;激振力頻率比較穩(wěn)定，處于共振腔的第一階聲模態(tài)頻率（6kHz左右），頻率放大明顯。輸出電壓的幅值和頻率隨流速的變化關(guān)系與激振力的幅值和頻率隨流速的變化關(guān)系具有相同的形式。該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)發(fā)電性能比較穩(wěn)定，在負(fù)載匹配的情況下最高輸出功率達(dá)到85.3mW。