基于超聲波的無線電能傳輸的研究

張濤

摘 要：在研究電能傳輸媒介的過程中發現，超聲波作為一種全新傳輸方式，截至目前相關研究針對其的認識仍然十分有限。采用超聲波方式進行電能傳輸，且具有方向性較強，而且能更容易集中以及傳播距離更遠，同時利用超聲波還能實現無線電能在空氣的傳輸。本文在超聲波無線電能傳輸的原理以及基礎公式上，估算出超聲波的傳輸功率。

關鍵詞：超聲波;電能傳輸;電能傳輸優勢

無線電能傳輸是2007年麻省理工學院科學家們研究的無線充電成果，他們利用電磁共振器成功把在兩公尺外將一個60瓦的燈泡點亮，并把這種技術取名為無線電能。無線電能技術研究成功，在世界上掀起了一股無線電能的話題以及科技研究。其原理與無線通信技術相似，都是人們通過無形的介質（例如電場、磁場、微波等），實現電能無線傳輸。這項技術是電力電子、高頻電子和電磁感應的等多項科學技術相結合而實驗成功的，是人們對能源傳輸和接入的一次革命性的改革。

1 超聲波無線電能傳輸原理

超聲波是指聲波頻率大于20KHZ的聲波。它與聲波有著共同之處，都是通過物質的振動而產生的，并且只能通過介質傳播。目前通過人為的產生超聲波的方法有三種即流體動力法、磁致伸縮效應法和壓電效應法。其中壓電效應法是最為簡單快捷產生超聲波的方法。

超聲波無線電能在進行傳輸階段，主要劃分出了兩個部分，分別是發射與接收。發射模塊中電振子會在功率放大器的作用下形成超聲波，并在振動氣流條件下造成空氣振動，產生能量傳遞。對于接收端的電振子通過正壓電的效應下產生振動，并對振動能量完成轉化，形成電能，此時便可以利用檢測設備針對電壓進行感應。

之所以超聲波不能用一個公式表達清楚其在傳播時接收和換能的傳輸功率，是因為空氣中存在對其產生影響的其他介質和熱傳導等物理現象以及受超聲波換能器的影響，所以把它們用電路的形式來表達，會更加的清楚直觀。

2 換能器的設計

雖然超聲波的換能器有很多種樣式，但它們都與氣-固體聲阻抗嚴重不符，所以導致目前以空氣為媒介的超聲波換能的發展非常的落后，同樣也使得空氣超聲波技術發展相對落后。但是近來由于科學技術一次又一次的革新，出現很多新型材料，如尼龍薄膜、聚醚碸等，因為它們具備匹配換能器的優質特點，如孔多、聲阻抗小、散射損耗低等。此外還出現很多針對于換能器的分析和設計的軟件，就更能使人民對換能器的數據、輻射功率、方向性等參數的掌握。隨著這些因素的誕生，大大促進換能器的研究，使得利用超聲波傳輸電能成為一種全新的創新。

復合材料四分之一波長匹配的方法是有三個原則必須遵守。每波長損耗要<0.14Np;最外面的匹配層的聲阻為0.04至0.3MRayl;材料的頻率系數和衰減系數必須呈現出線性的關系。由于材料特性的限制，想要實現阻抗的有效匹配，可以使用多層匹配的方式。

縱彎模式匹配，其基本構架是由夾心式換能器、輻射板與變幅桿所組成的，其特點可以承受較大功率的電能和具有較好的機械強度。為使系統聲功率能有較好的改善，可以在復合棒的末端使用階梯型變幅桿，使薄彎板獲得較大的振動頻率，從而實現聲功率的提升。

3 超聲波無線輸電的效率分析

在進行無線電能傳輸階段，需要控制好電能傳輸功率情況，這也是決定超聲波無線輸電的重要條件。更加關系到傳輸性能。為此，就需要針對電能輸出及能量轉化問題進行分析，探索主要影響因素，并分析其應用性。

超聲波無線電能傳輸過程中，需要記錄能量流動具體參數，這些參數十分重要，包括換能器、聲能轉換、機械能以及電能轉化相關數據，掌握此類數據的主要目的是為了進行能量之間的耦合，為此，可以使用相同壓電材料（Y-4收發兩用），達到能量共振效果。

為了分析能量傳輸效率問題，則需要針對接收以及發射換能器方面的效率進行計算，發現兩者效率相等，由此可知實際計算過程中僅需要考慮超聲波在發射階段的唯一影響因素，傳輸功率即可。因此，對電機能量轉換方面產生影響的主要因素即為有效機電耦合系數、介電損耗以及機械損耗三項。其中有效機電耦合系統作為無單位物理量，公式表示為：

該式中代表的是電陶瓷的動態電容與并聯電容。

假設動態電容高于并聯電容條件下，則由于電-機能量耦合實際效率將會越高的結果。

電損耗質是電介質在交變電場中，由于消耗部分電能而使電介質發熱的現象。這個損耗可用介電損耗電阻表示，其公式為：，w是電場頻率。機械損耗為壓電陶瓷諧振時機械損耗的大小，可反映出壓電陶瓷振動摩擦而消耗的能量，可用來表示，其中分別是壓電陶瓷的機械共振頻率，當機械支路的串聯電容和機械損耗阻抗，可以發現壓電陶瓷的頻率越高機械損耗就越大。

在針對機械能以及聲能方面的傳輸研究階段，發現在不同環境匯總超聲波所產生的輸電功率也將會由于距離因素而發生下降的情況，并且頻率越高下降的速度也就越快。因此選擇輸電頻率時，能量和效率是重要的參考因素。

4 結束語

綜上所述，通過對超聲波的無線傳輸能量原理、能量轉換進行分析探討。得出影響能量傳輸的因素。超聲波的特點在于其不受無電磁場的干擾，可以幫助一些特殊的場所提供供電，同時也能幫助我國在特殊科學領域的發展。超聲波是一門多學科新型的技術，具有深刻的意義以及廣泛的應用。我國也將不斷的對超聲波技術進行深入地探究與完善。

參考文獻：

[1]趙鑫.縱振式超聲波無線電能傳輸裝置仿真與實驗[J].長春工業大學學報，2017，38（03）：251-255.

[2]張建華，黃學良，鄒玉煒，柏楊.利用超聲波方式實現無線電能傳輸的可行性的研究[J].電工電能新技術，2015，30（02）：66-69+74.

[3]柏楊，黃學良，鄒玉煒，丁曉辰.基于超聲波的無線電能傳輸的研究[J].壓電與聲光，2015，33（02）：324-327.