一种水下阵列式大功率超声波无线传能系统

1.本发明涉及水下超声波无线传能技术领域，具体涉及一种水下阵列式大功率超声波无线传能系统，采用一种换能器阵列的形式增大系统的传输功率。


背景技术：

2.无线传能技术是将电能转换为其他形式的能量，通过一定的传输介质将能量传输到接收端，再转换为电能为指定设备供能。目前利用超声波的无线传能技术尚处于研究阶段，利用超声波无线传能技术为水下设备供能，不仅可以提高水下设备的工作效率和使用寿命，还可以利用超声波方向性强、能量集中的优势，在中长距离能量传输中获得更高的传输效率和功率。
3.超声波无线传能技术的核心是超声换能器，使用压电超声换能器(以下简称换能器)，利用压电陶瓷的正逆压电效应进行电能和机械能(超声波)的转换，实现无线能量传输。换能器中除了压电陶瓷外还需要合适的匹配层和背衬，用于增大声波向水中的透射率，提高传输效率。
4.目前用于水下的超声波无线传能系统传输功率普遍不高，系统的能量传输功率除了受换能器的尺寸、结构、压电陶瓷的强度等限制外，主要受到液体空化效应的制约。空化效应指当换能器振动推动液体介质辐射声波时，液体缩应变过程产生较大的局部负压力，当压力降低到临界值时液体发生空化现象产生气泡或空穴，造成声波严重的散射损失，导致声波在水中的衰减急剧增大。
5.针对上述问题，考虑设计一种用于水下超声波无线传能的换能器阵列，分散单个换能器发射的能量密度，在阵列焦点处接受超声波。


技术实现要素：

6.本发明提供一种水下阵列式大功率超声波无线传能系统，用于解决现有水下超声波无线传能系统中，液体空化效应对系统传输功率的限制问题，通过换能器阵列的形式分散单个换能器发射的能量密度，提高水下超声波无线传能系统的功率传输能力。
7.为达到上述目的，本发明的实施采用如下技术方案：
8.一种水下阵列式大功率超声波无线传能系统，由输入高频电源1-1、发射换能器阵列1-2、液体传输介质1-3、接收换能器1-4、接收负载1-5构成。其中发射换能器阵列为六振元形式，由六只换能器彼此相差γ夹角够成，每只换能器安装在固定半径的支杆上，改变支杆与xy平面的夹角θ调整相应的聚焦距离。每只换能器由石英玻璃2-1、铜片2-3、压电陶瓷2-5和换能器外壳2-6构成。其中，将铜片2-3用导电胶2-4粘贴在压电陶瓷2-5的一个端面作为一个电极端子，使用环氧树脂黏合剂2-2将石英玻璃2-1粘贴在铜片2-3的前端作为换能器的匹配层，最后将以上部分封装在换能器外壳2-6中。
9.接通电源后，输入高频电源1-1通过逆变器输出与换能器谐振频率相同的交流电驱动发射换能器阵列1-2，换能器利用压电陶瓷2-5的逆压电效应将电能转换为相同频率的
超声波辐射到液体传输介质1-3中。单个换能器发射的声波在液体传输介质1-3中任一点r(x,y,z)产生的声压幅值为
[0010][0011]
其中，pi为任一点声压幅值，ω为声波角频率，ρ0为液体传输介质1-3的密度，ua为质点振速，a为换能器半径，j1(kasinα)为一阶贝塞尔函数，k为波数，α为任一点与换能器中心连线与换能器轴线形成的夹角，d为任一点到换能器中心的距离；换能器轴线上声压幅值为
[0012][0013]
其中，c0为声波在液体传输介质1-3中的声速，r为焦点到换能器中心的距离；最后，空间任一点的总声压为各换能器在该点产生声压的总和
[0014][0015]
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
[0016]
(1)采用一种多振元阵列形式的水下超声波无线传能技术，分散了单个换能器发射的能量密度，有效提高了水下超声波无线传能系统的传输功率。
[0017]
(2)结构简单，使用便捷，可以灵活调节聚焦角度改变焦点位置，更易实现较远距离的水下超声波无线能量传输，且能量只集中在焦点处，能量的利用率高。
附图说明
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图1为系统工作示意图。
[0019]
图2为换能器结构。
[0020]
图3为换能器阵列的平面结构图。
[0021]
图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f分别为水下换能器阵列在聚焦5cm、10cm、15cm、20cm、30cm和50cm时的声场仿真结果。
[0022]
其中，
[0023]
1-1，输入高频电源；1-2，发射换能器阵列；1-3液体传输介质；1-4，接收换能器；1-5，接收负载。
[0024]
2-1，石英玻璃；2-2，环氧树脂黏合剂；2-3铜片；2-4，导电胶；2-5，压电陶瓷；2-6，换能器外壳。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0026]
如图1所示，输入电源1-1包括直流源、逆变器和谐振补偿电路，输出特定频率的交流电驱动发射换能器阵列1-2。当电压施加到发射换能器阵列1-2两端后，由于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷内部产生形变，振动辐射与电压频率相同的超声波。六个换能器振元
辐射的声波经过液体传输介质1-3，汇聚在接收换能器1-4所在的焦点位置处，接收换能器1-4将接收的超声波由压电陶瓷的压电效应转换为电能为接收负载1-5供能。
[0027]
如图2所示为单个换能器的结构，以压电陶瓷2-5为核心，利用导电胶2-4将铜片2-3粘贴在压电陶瓷2-5的一个端面作为其一个电极端子。以石英玻璃2-1作为匹配层，使用环氧树脂黏合剂2-2将其粘贴在铜片2-3的前端，最后将以上部分封装在换能器外壳2-6中。其中，石英玻璃2-1的直径为50mm，厚度为14mm；铜片2-3的直径为50mm，厚度为0.1mm；压电陶瓷2-5的外径为50mm，内径为17mm，厚度为6.5mm；换能器外壳2-6的外径为60mm，内径为50mm，高度为40mm。
[0028]
如图3所示为六元换能器阵列的平面结构图，左图为换能器阵列的正视图，右图为其在传输介质中形成自然焦点的侧视图。其中，每个换能器的半径为a，以正上方换能器为基准，每个换能器的位置夹角用γ表示，γ＝(0:pi/3:5pi/3)。换能器与xy平面的夹角为θ，在z轴形成自然焦点o，以o为原点建立坐标系，则换能器中心a点的坐标为
[0029]
a(rsinθcosγ,rsinθsinγ,-rcosθ)
[0030]
令有空间一点r(x,y,z)，可得两向量
[0031][0032][0033]
夹角α及r到a的距离为
[0034][0035][0036]
单个换能器在r点产生的声压幅值为
[0037][0038]
单个换能器轴线上声压利用严格解计算
[0039][0040]
最后，r点的总声压为各换能器在该点产生声压的总和
[0041][0042]
实际中，当换能器阵列的半径保持不变时，改变聚焦角度θ，获得不同聚焦距离下的聚焦结果。
[0043]
如图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f所示为计算得到的水下换能器阵列声压云图，依次为聚焦5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、50cm时的情况。
[0044]
由图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f可知水下换能器阵列的形式分散了单个换能器发射的能量密度，将接收换能器置于焦点位置可以有效增大水下超声波无线传能系统
的传输功率。