小型振動壓電發(fā)電機氣流致聲激振技術研究.pdf

1、引信技術隨著科學技術的飛速發(fā)展獲得了很大的進步，引信從傳統(tǒng)的機械化朝著靈巧化、智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代引信對電源的要求愈來愈高，實時快速供電、安全性高、長儲性好的引信電源，需求量更大。隨著引信小型化的發(fā)展趨勢，功能和內(nèi)部機構或裝置不斷增多，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象，采用數(shù)值仿真和實驗結合的研究方法，開展小型振動壓電發(fā)電機氣流致聲激勵機理、聲振動響應特性和發(fā)電性能的研究

2、。
　　首先，在課題預先研究的基礎上，通過計算流體分析確定了短的等截面環(huán)隙進氣道，具有進氣口流態(tài)轉捩快、流場趨于均勻快、整流作用明顯、氣流速度均勻對稱恢復能力強等特點。提出了氣流致聲、聲激振的激振方法，并設計了等截面環(huán)隙噴口-共振腔氣流致聲激振機構，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驗測得的聲壓曲線進行比較，驗證仿真模型的合理性。同時，結果表明，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機構的可行性。
　　其次，應用所建立的仿真模型，對等截面環(huán)隙口-共振腔激振機構的流場進行了數(shù)值模擬。通過觀察其激振過程中的速度和壓力流場分布，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、膨脹過程，共振腔內(nèi)的軸向速度與聲壓曲線關系表明共振腔內(nèi)有駐波形成。同時，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跳躍到高階模態(tài)。這一結論，驗證了旋渦脫落產(chǎn)生邊棱音的機制，等截面環(huán)隙口-共振腔激振機構具有頻率俘獲和放大的功能。
　　再次，進行了氣流致聲激振機構結構參數(shù)影響分析。通過實驗進一步研究發(fā)現(xiàn)，共振腔長度、間距、環(huán)隙對激振力幅值和頻率存在不同的影響。結果表明，高速氣流下，較短共振腔能獲得幅值較大的高頻穩(wěn)定振動信號;間距與環(huán)隙存在最佳閾值，否則會使激振力幅值很小甚至無振動信號，故設計

5、時要嚴格控制間距和環(huán)隙。另外，結合結構參數(shù)對激振力頻率的影響，給出了適用于短共振腔聲模態(tài)頻率計算的經(jīng)驗公式;理論計算和實驗結果表明，計算值接近實驗值。
　　然后，設計了氣流致聲壓振動壓電發(fā)電機實驗樣機的壓電換能裝置。建立了拾振原理的彈簧—質量—阻尼等效模型，推導了壓電換能裝置的最大機械能輸出功率表達式;分析了壓電振子的工作方式，確定了壓電振子的激勵方式、振動模式、固定方式以及其最佳工作振型;對壓電振子的受迫振動進行了理論分析，建立

6、了壓電振子的振電換能模型。
　　最后，對小型氣流致聲振動壓電發(fā)電機實驗樣機性能進行了測試，研究了實驗樣機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系與激振力的幅值和頻率隨流速的變化關系具有相同的形式。該實驗樣機發(fā)電性能比較穩(wěn)定，在負載匹配的情況下最高輸出功率達到85.3mW。