超聲耦合無線電能傳輸技術(shù)研究綜述

張林森, 寧小玲*, 胡 平

超聲耦合無線電能傳輸技術(shù)研究綜述

張林森1, 寧小玲1*, 胡 平2

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍工程大學(xué) 艦船與海洋工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033)

超聲耦合無線電能傳輸(UCCET)是一種新型的無線電能傳輸技術(shù)。文中從UCCET技術(shù)的應(yīng)用場景和優(yōu)勢入手, 分析了UCCET基本原理, 總結(jié)了其技術(shù)特點(diǎn)。隨后著重從低功率和高功率應(yīng)用兩方面分別梳理了國內(nèi)外UCCET技術(shù)在植入式醫(yī)療電子設(shè)備供電、隔金屬介質(zhì)設(shè)備供電、隔空氣介質(zhì)設(shè)備供電和隔水介質(zhì)設(shè)備供電等方面的研究現(xiàn)狀, 最后闡述了UCCET在聲阻抗匹配、傳輸機(jī)理研究和換能器設(shè)計(jì)理論等方面面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

無線電能傳輸; 超聲; 耦合

0 引言

傳統(tǒng)的電力傳輸都是通過有線方式進(jìn)行, 這種方式在潮濕、含易燃易爆氣體、水下等很多場合存在諸多局限性[1], 而在諸如植入式醫(yī)療設(shè)備供電、外太空設(shè)備供電等場合則直接無法使用[2]。因此, 實(shí)現(xiàn)電能無線傳輸一直是人類追求的目標(biāo)[3-4]。無線電能傳輸(contactless energy transfer, CET)技術(shù)是一類無需物理連接就可以實(shí)現(xiàn)電能向負(fù)載傳輸?shù)募夹g(shù), 其基本原理是將電能通過電場、電磁場或聲場等作為載體來實(shí)現(xiàn)能量的空間傳遞。總體來看, 無線電能傳輸技術(shù)分為電磁式和非電磁式兩類, 其具體分類見圖1。

從圖1可以看出, 電磁式CET技術(shù)按照其原理又可以分為電磁輻射、電場耦合和磁場耦合3種方式。從現(xiàn)有公開文獻(xiàn)來看, 磁場耦合方式是目前所有CET技術(shù)中研究最多的, 并且已在電動汽車、移動通信、機(jī)器人和家用電器等領(lǐng)域得以應(yīng)用[4]。但是, 這種基于磁場耦合方式的CET技術(shù)傳輸距離有限, 且傳輸效率會隨著傳輸距離的增加而急劇下降[5-6]; 此外, 在金屬、海水等導(dǎo)電介質(zhì)中, 電磁場的傳播會嚴(yán)重衰減, 因此無法利用該方式高效地傳輸電能。相比之下, 超聲波作為一種機(jī)械波則可以很好地在各種介質(zhì)中傳播, 特別是在導(dǎo)電介質(zhì)中, 超聲波穿透力強(qiáng)、方向性好、衰減較小[7], 因此, 在水下機(jī)電設(shè)備無線供電、金屬密閉容器內(nèi)設(shè)備供電和植入式醫(yī)療裝置供電等領(lǐng)域, 超聲波耦合無線電能傳輸(ultraso- nic coupled contactless energy transfer, UCCET)技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。

圖1 無線電能傳輸技術(shù)分類

1 UCCET技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 工作原理

UCCET技術(shù)原理框圖如圖2所示。UCCET裝置主要由發(fā)射端和接收端組成。其中, 發(fā)射端包括高頻電源、發(fā)射端阻抗匹配電路和發(fā)射換能器; 接收端包括接收換能器、接收端阻抗匹配電路和整流濾波電路等。發(fā)射換能器將高頻電源輸出的電能轉(zhuǎn)換為超聲波并通過介質(zhì)傳播, 將能量輻射到接收換能器, 接收換能器則將超聲波轉(zhuǎn)換為電能, 經(jīng)整流濾波后供給負(fù)載使用。發(fā)射端和接收端的阻抗匹配電路起到阻抗變換和調(diào)諧作用, 使整個裝置工作在高效區(qū)間。

從上述工作原理可知, 超聲換能器是UCCET裝置的核心器件, 其主要功能是進(jìn)行電能和聲能的轉(zhuǎn)換。超聲換能器種類很多, 根據(jù)其工作原理可以分為機(jī)械型換能器、電容型換能器、磁致伸縮換能器和壓電換能器等。其中使用較多的是磁致伸縮換能器與壓電換能器2種類型, 表1給出了這2類換能器的主要性能比較。

圖2 超聲耦合無線電能傳輸原理框圖

表1 2種換能器性能比較

磁致伸縮換能器的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較高、工作穩(wěn)定、輻射功率密度大, 缺點(diǎn)是體積大且繞線復(fù)雜; 壓電換能器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、易于成型等, 是目前理論研究和實(shí)際應(yīng)用最多的一種換能器。其中夾心式壓電換能器工作頻率較低, 且制作簡便, 通過改變兩端金屬塊的厚度或形狀就可以方便地改變換能器的工作頻率和聲強(qiáng), 因此在功率超聲技術(shù)中得到廣泛運(yùn)用。

1.2 UCCET等效電路模型

圖3 UCCET等效電路模型

系統(tǒng)工作時, 發(fā)射換能器工作于逆壓電效應(yīng)狀態(tài), 將從激勵電源獲取的電能轉(zhuǎn)換為超聲波形式的機(jī)械能, 為獲得較大的輻射聲功率, 應(yīng)確保發(fā)射換能器工作于諧振狀態(tài); 接收換能器工作于壓電狀態(tài), 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能為負(fù)載供電或充電, 且應(yīng)使發(fā)射換能器與接收換能器諧振頻率保持一致或相近, 以保證UCCET有較強(qiáng)的電能傳輸能力。

根據(jù)圖3, 可分析得到接收換能器的輸出電壓為

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

與電磁式CET技術(shù)相比, UCCET技術(shù)的一個突出優(yōu)點(diǎn)是在相同的指向性要求下, 后者使用的收發(fā)換能器尺寸比前者要小得多[7], 這是因?yàn)樵谙嗤橘|(zhì)(例如海水)中, 聲波的傳播速度相對于電磁波要低得多, 所以相同頻率下聲波的波長比電磁波小得多。換而言之, 如果給定收發(fā)換能器的尺寸和指向性要求, UCCET裝置的工作頻率將會遠(yuǎn)低于電磁式CET, 因此相關(guān)電路設(shè)計(jì)和器件選擇會更簡單。

UCCET的另一個優(yōu)勢是其應(yīng)用領(lǐng)域更廣。由于這種方式是使用機(jī)械波作為能量傳輸?shù)拿浇? 所以可有效應(yīng)用于如前所述的一些電磁耦合CET技術(shù)無能為力的場合。除此之外, 在導(dǎo)電介質(zhì)中, UCCET技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在較遠(yuǎn)距離上仍具備較好的能量傳輸能力。

UCCET的第3個優(yōu)勢是不會產(chǎn)生電磁噪聲和電磁污染, 因此在電能傳輸?shù)倪^程中不會對其他系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生電磁干擾。這一特點(diǎn)對于某些場合是至關(guān)重要的, 例如心臟起搏器等植入式醫(yī)療電子設(shè)備的供電、軍用設(shè)施供電需要保持電磁靜默避免暴露等。

2 研究現(xiàn)狀

由于超聲波可以在各種介質(zhì)中傳播, 因此UCCET技術(shù)對工作環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)并能夠在較遠(yuǎn)的距離進(jìn)行能量傳輸。但是, 作為一種新興技術(shù), UCCET的發(fā)展較晚, 與電磁式CET技術(shù)相比, 其研究成果還不是很豐富。從目前公開的文獻(xiàn)來看, UCCET技術(shù)的研究成果主要集中于植入式醫(yī)療電子設(shè)備供電、隔金屬介質(zhì)設(shè)備供電、隔空氣介質(zhì)設(shè)備供電和隔水介質(zhì)設(shè)備供電4個方面。但是不管是針對何種介質(zhì)的研究, 都可以按UCC ET的功率水平分為低功率UCCET和中高功率UCCET 2個應(yīng)用層面。文中從這2個層面入手, 針對其涉及的器件、傳播介質(zhì)和驅(qū)動控制電路等, 分別梳理UCCET的研究現(xiàn)狀。

2.1 低功率UCCET研究現(xiàn)狀

低功率UCCET的應(yīng)用場景非常多, 包括為植入式醫(yī)療電子設(shè)備充電、透過人體組織傳輸數(shù)據(jù)以及一些隔空氣介質(zhì)設(shè)備供電等等。早在1985年, 文獻(xiàn)[8]就報(bào)道了用UCCET為植入式醫(yī)療電子設(shè)備充電的研究, 研究者使用UCCET來刺激骨的生成, 建立了一個包含內(nèi)部固定裝置和壓電換能器的系統(tǒng), 該系統(tǒng)能夠在外部超聲波激勵壓電換能器時產(chǎn)生電流。此外, 文獻(xiàn)[9]中證明了利用超聲換能器能夠產(chǎn)生20 μA的電流, 并可以1.5 mW/cm2的功率密度進(jìn)行能量傳輸。

由于植入式醫(yī)療電子設(shè)備在醫(yī)學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用, 因此許多研究人員相繼提出了一系列基于超聲耦合的無線充電方案來解決人體組織中的電池充電問題[10-15]。

在低功率場合中使用的聲換能器包括多種振動模式, 其中最基本的一種振動模式是薄片厚度伸縮振動模式: 文獻(xiàn)[11]利用了這種振動模式制作了換能器, 其發(fā)射換能器厚度為1.02 mm, 接收換能器則植入人體組織中; 文獻(xiàn)[14]采用26 mm厚度的發(fā)射換能器和植入組織的接收換能器實(shí)現(xiàn)了23 mW的能量傳遞; 文獻(xiàn)[16]使用富士陶瓷生產(chǎn)的2個C-2型壓電陶瓷換能器, 實(shí)現(xiàn)了35 mW的能量傳遞。薄圓片徑向振動模式是在UCCET系統(tǒng)中使用較多的另一種振動模式: 文獻(xiàn)[16]和[17]使用這種振動模式制作換能器, 其發(fā)射換能器和接收換能器都采用10 mm直徑的傳感器, 而且收發(fā)2個換能器都植入在人體組織中, 同時對這上述2種不同類型振動模式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。

文獻(xiàn)[18]提出了一種用于低功率生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的UCCET, 設(shè)計(jì)制作了直徑為50 mm、諧振頻率為250 kHz的實(shí)驗(yàn)裝置, 由于在水介質(zhì)中比較容易在固定距離上調(diào)節(jié)頻率, 因此該裝置在30 mm傳輸距離上實(shí)現(xiàn)了55%的功率傳輸效率; 在人體組織中, 在255 kHz驅(qū)動頻率下, 該裝置接收傳感器位于23 mm皮膚深度時可獲得21%的功率傳輸效率; 該文獻(xiàn)還指出, 介質(zhì)類型會影響波的傳播性能, 從而導(dǎo)致2種介質(zhì)之間的能量傳遞效率也不相同。

文獻(xiàn)[19]針對心臟起搏器鋰電池充電問題, 建立了超聲波向心臟起搏器無線充電的理論模型, 采用聚焦超聲換能器體外發(fā)射低強(qiáng)度脈沖超聲, 利用體內(nèi)置入的1-3型壓電復(fù)合材料俘能器作為接收換能器, 經(jīng)整流濾波電路及充電保護(hù)電路處理后為心臟起搏器進(jìn)行充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該裝置在2.18～5.10 cm的傳輸距離內(nèi), 能夠?qū)崿F(xiàn)能量的高效接收, 并成功將作為模擬負(fù)載的LED燈點(diǎn)亮。

植入深度是UCCET系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一[20-21], 為了研究植入深度對傳輸效率的影響, 且考慮到生物軟組織與水的聲學(xué)特性相近, 文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了一套水下UCCET系統(tǒng), 通過調(diào)整發(fā)射器和接收器之間的距離來模擬不同植入深度, 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對采集到的接收器輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 建立了線性回歸模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 超聲波能量傳輸效率與發(fā)射器和接收器之間的距離有關(guān), 接收器輸出電壓隨距離的增大而減小, 所建模型的預(yù)測誤差小于10%。

引起研究人員關(guān)注的另一個研究方向是UCCET系統(tǒng)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的生物相容性。文獻(xiàn)[21]利用生物相容材料, 開發(fā)了完全封裝的UCCET接收器, 用于為生物植入式醫(yī)療設(shè)備充電, 得益于使用的材料具有生物相容性并足夠柔軟, 同時對接收器的形狀進(jìn)行了優(yōu)化分析, 該裝置使用球形包裝, 在五花肉模擬的人體皮膚組織系統(tǒng)中取得了較理想的聲波能量吸收效果。文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[20]、文獻(xiàn)[23]和文獻(xiàn)[24]中也提到了類似研究工作。同時, 文獻(xiàn)[25]認(rèn)為, UCCET系統(tǒng)的研究除了應(yīng)繼續(xù)提高傳輸效率外, 裝置的生物安全性也必須引起足夠的重視, 特別是為了避免生物組織內(nèi)溫度升高和形成氣穴等不良生物效應(yīng), 必須采用具有生物相容性的UCCET裝置。

利用UCCET對水下機(jī)電設(shè)備及傳感設(shè)備進(jìn)行無線充電具有非常廣闊的應(yīng)用潛力, 文獻(xiàn)[26]進(jìn)行了水下UCCET技術(shù)的研究, 在分析等效電路模型的基礎(chǔ)上, 研究了超聲換能器的電學(xué)阻抗變換方法和長線傳輸時的阻抗匹配問題, 對比分析了在海水中感應(yīng)耦合與超聲耦合2種CET技術(shù)在能量轉(zhuǎn)換效率上的性能差異, 并設(shè)計(jì)了距離５ cm、效率31%、輸出功率50 Ｗ的CET實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

除了利用聲波進(jìn)行能量傳輸外, 部分文獻(xiàn)還研究了利用聲波同時進(jìn)行能量和信息傳送的可行性。一些公開文獻(xiàn)的研究證明, 在低功率應(yīng)用場合, 超聲波可以傳輸數(shù)據(jù), 即在傳遞能量的同時充當(dāng)通信通道。文獻(xiàn)[24]和[27]在體外實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一個通信平臺, 成功實(shí)現(xiàn)了20%的能量傳輸效率和9.5 kb/s的比特率。文獻(xiàn)[24]提出的系統(tǒng)原理框圖如圖4所示, 其中控制單元(CU)和接收換能器(TR)分別由等效阻抗CU和TR表示。聲波以工作頻率0從CU發(fā)送至距離為的TR。輸入電壓IN施加到CU上, 在TR的方向上產(chǎn)生機(jī)械振動, 輸出信號對應(yīng)于植入器件的可用電壓AV。AV通過并聯(lián)電感器L升壓后進(jìn)行整流, 整流電壓為REC, 在微功率模塊內(nèi)以合適的恒定值給電池充電, 一旦能量存儲元件完全充滿電即可為負(fù)載供電。這部分完成能量無線傳輸功能, 如圖4中模塊A所示。模塊B為無線通信系統(tǒng)模塊, 該模塊設(shè)計(jì)了一種簡單的調(diào)制器機(jī)制, 通過微處理器將1個編碼信號從TR傳輸?shù)紺U, CU包含了存儲在隨機(jī)存取存儲器(RAM)中的傳感器信息。模塊B框圖結(jié)構(gòu)如圖5所示。

文獻(xiàn)[28]設(shè)計(jì)了一個類似的可同時傳遞能量和信息的CET系統(tǒng), 功率為80 mW, 以脫氣水作為實(shí)驗(yàn)傳輸介質(zhì), 收發(fā)換能器間隔在5～105 mm 變化范圍內(nèi), 系統(tǒng)傳輸效率為21%～35%。

圖4 能量信息同步傳輸?shù)臒o線能量傳輸系統(tǒng)原理框圖

圖5 通信模塊框圖

除此之外, 在低功率應(yīng)用中, 組合使用不同方法進(jìn)行能量無線傳輸也被證明是可以實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了2個子系統(tǒng), 其中一個子系統(tǒng)使用感應(yīng)式電能傳輸 (inductive power transfer, IPT) 裝置為淺層組織中的設(shè)備傳遞能量, 使用UCCET為位于更深組織層的設(shè)備供電。根據(jù)其結(jié)論, 這種方式下, IPT實(shí)現(xiàn)了在10 mm的氣隙中感應(yīng)傳輸5 W的功率, 傳輸效率為83%; 并通過UCCET實(shí)現(xiàn)了在均質(zhì)液體環(huán)境中給70 mm距離的內(nèi)部設(shè)備傳輸29 W的功率, 傳輸效率為1%。該裝置中還配有一個可充電電容, 該電容能夠提供約18 ms的供電, 能夠讓裝置以500 kHz的頻率傳輸約半個字節(jié)的數(shù)字化測量數(shù)據(jù)。

2.2 中高功率UCCET研究現(xiàn)狀

相對于低功率無線電能傳輸特別是生物醫(yī)學(xué)植入物充電方面的研究成果, 基于超聲耦合的大功率無線電能傳輸更具挑戰(zhàn)性。通過空氣或人體組織傳輸?shù)墓β释ǔ］^低, 而通過金屬介質(zhì)可相對容易地獲得高輸出功率傳輸, 這是因?yàn)閴弘姴牧系穆曌杩古c金屬介質(zhì)中的聲阻抗匹配性更好。

文獻(xiàn)[29]設(shè)計(jì)了通過金屬壁的大功率UCCET系統(tǒng), 該系統(tǒng)在直徑為38 mm的金屬器件上實(shí)現(xiàn)了100 W的傳輸能力, 傳輸效率達(dá)到88%。文獻(xiàn)[30]則實(shí)現(xiàn)了通過UCCET系統(tǒng)在厚度為5 mm的鈦金屬壁上1 kW的功率傳輸, 但由于發(fā)熱量較大, 該系統(tǒng)的持續(xù)傳輸時間非常有限。

在大功率應(yīng)用中, 功率轉(zhuǎn)換器和換能器大功率轉(zhuǎn)換能力是研究人員比較關(guān)注的一個方面。換能器為了擁有足夠的轉(zhuǎn)換功率, 需要通過高電壓激發(fā)以便產(chǎn)生高振幅聲波。夾心式壓電陶瓷換能器(也稱為朗之萬換能器)是一種能夠較好滿足這種高輸出功率需求的換能器。與此同時, 作為激勵電壓源的功率轉(zhuǎn)換器, 應(yīng)能在換能器工作頻率附近提供更高的輸出功率, 文獻(xiàn)[29]和[30]中使用功率信號發(fā)生器或線性放大器作為換能器的功率變換器。文獻(xiàn)[30]利用有限元軟件, 分析了縱振式超聲波無線電能傳輸裝置模型的縱振模態(tài)及其共振頻率。加工的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)能量發(fā)射端采用錐形結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)對于空氣激振的輸出效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在最佳傳輸頻率29.88 kHz下的能量傳遞效率可達(dá)24%。

在大功率UCCET系統(tǒng)中, 同時傳輸數(shù)據(jù)和傳輸能量同樣也是可能的。許多文獻(xiàn)探討了通過金屬墻進(jìn)行通信的可能性[31-34]。文獻(xiàn)[31]證明了這種應(yīng)用場景下可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 Mb/s的數(shù)據(jù)通信。文獻(xiàn)[33]和[34]設(shè)計(jì)了一個同時傳輸能量和數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 能量和數(shù)據(jù)能夠通過相隔2.54 cm的2個聲學(xué)基站進(jìn)行傳輸。傳輸功率為50 W, 平均效率達(dá)51%; 數(shù)據(jù)通信速率為12.4 Mb/s。

3 UCCET面臨的挑戰(zhàn)

3.1 聲阻抗匹配問題

在UCCET系統(tǒng)中, 由于聲阻抗不匹配導(dǎo)致聲波反射以及由此產(chǎn)生的空間共振是其面臨的主要挑戰(zhàn)。目前, UCCET應(yīng)用最多的是壓電式超聲換能器, 壓電材料的聲阻抗率大約為3～35 MRayl, 因此必須設(shè)法降低換能器的聲阻抗, 減弱2種介質(zhì)間的聲阻抗失配, 以提高換能器的發(fā)射效率。

超聲換能器中應(yīng)用最多的聲匹配技術(shù)是匹配層法, 即在壓電材料和聲傳輸介質(zhì)之間加入一層用以實(shí)現(xiàn)聲阻抗過渡的材料。用于匹配層材料阻抗率選擇的有傳統(tǒng)模型、梅森模型、克里姆霍爾茲模型及串并聯(lián)阻抗相等理論等多種計(jì)算理論, 適用于不同的應(yīng)用場合。目前幾乎所有的理論分析和工程實(shí)踐中, 匹配層厚度均選擇1/4波長匹配層, 即匹配層厚度為/4。

在生物醫(yī)學(xué)和某些隔金屬介質(zhì)的UCCET系統(tǒng)中, 通常通過增加1層或多層聲阻抗匹配層來使絕大部分聲波順利進(jìn)入介質(zhì)。在這些應(yīng)用中, 壓電陶瓷與鋼的比阻抗比值約為0.7, 壓電陶瓷與生物組織的比阻抗比值約為20, 壓電材料和介質(zhì)之間的阻抗失配程度相對較小。而在空氣介質(zhì)中, 由于壓電陶瓷材料與空氣的阻抗失配程度非常大(PZT/air≈7×104), 要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配層就很困難, 因?yàn)槟壳皫缀鯖]有材料能同時滿足低聲阻抗和低損耗?？諝庾杩蛊ヅ涓嗟氖抢谜衲さ仁侄螌?shí)現(xiàn), 該方法有效地增加了傳感器的表面積。

3.2 UCCET機(jī)理研究

目前在UCCET機(jī)理方面的研究也還不夠充分, 用于分析系統(tǒng)性能的模型在某種意義上是不完整的。UCCET的核心是超聲換能器, 由于超聲換能器包含了電路系統(tǒng)、機(jī)械振動系統(tǒng)和聲學(xué)系統(tǒng), 決定了其研究方法需融合電子學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等諸多學(xué)科。以夾心式壓電換能器為例, 在分析其工作機(jī)理時最常見的方法就是通過電力聲類比, 將換能器轉(zhuǎn)換為等效電路(如梅森等效電路和克里姆霍爾茲等效電路等)來進(jìn)行進(jìn)一步分析建模。雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)使用了各種不同的方法來進(jìn)行建模分析, 但到目前為止, 沒有一個模型能夠完整展現(xiàn)UCCET技術(shù)的全部。從目前的文獻(xiàn)來看, 有限元分析在全面分析UCCET性能方面是一個非常有用的工具。此外, 也可將不同的模型結(jié)合起來, 從而更完整地描述和分析UCCET。

3.3 超聲換能器設(shè)計(jì)理論

超聲換能器的設(shè)計(jì)對于UCCET性能的影響至關(guān)重要。進(jìn)行超聲換能器設(shè)計(jì)時, 需要著重考慮換能器功率水平、轉(zhuǎn)換效率和阻抗失配導(dǎo)致的聲波反射3個方面因素的影響。就目前的應(yīng)用來看, 多數(shù)文獻(xiàn)都選擇夾心式壓電換能器作為UCCET的電聲轉(zhuǎn)換裝置。夾心式壓電換能器的基本振動類型有縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動3種, 其中縱向振動夾心式換能器在UCCET中應(yīng)用最為廣泛。

縱向振動夾心式換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用一維設(shè)計(jì)理論, 即當(dāng)換能器直徑遠(yuǎn)小于介質(zhì)中聲波的基頻波長時, 其振動模態(tài)可近似為一維復(fù)合細(xì)棒的縱向振動。根據(jù)一維理論可求解某共振頻率下?lián)Q能器的頻率方程, 這個頻率方程描述了其材料、形狀、尺寸與頻率的關(guān)系, 因此根據(jù)頻率方程可對換能器的尺寸、諧振頻率等進(jìn)行設(shè)計(jì)。換能器的設(shè)計(jì)方法通常有2種: 一種是給定諧振頻率, 利用頻率方程確定換能器尺寸; 另一種是給定尺寸, 由頻率方程計(jì)算換能器的諧振頻率。

夾心式壓電換能器一般為半波長振子, 振動時兩端振動位移最大, 而內(nèi)部存在振動位移等于零的節(jié)面。以節(jié)面為分界面, 可將換能器進(jìn)一步簡化為作用2個1/4波長的振子。分別用、、、和表示各部分元件的波數(shù)、長度、縱波聲速、密度和截面積, 得到換能器節(jié)面左右兩側(cè)的頻率方程分別為式(2)和式(3)[35]。

節(jié)面右側(cè)頻率方程

節(jié)面左側(cè)頻率方程

一般來說, 當(dāng)徑向尺寸小于介質(zhì)中傳播的波的1/4波長時, 使用一維理論設(shè)計(jì)的換能器其共振頻率理論與測量間的誤差可以忽略。然而, 隨著超聲換能器功率增大, 換能器的徑向尺寸較大, 通常大于縱波波長的1/4, 甚至可能接近介質(zhì)中聲波基波波長, 此時等效電路法誤差較大已不再適用, 必須探索其他更適合的設(shè)計(jì)方法。從現(xiàn)有的研究趨勢來看, 一種方向是在建立換能器模型的基礎(chǔ)上結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì), 再結(jié)合有限元分析進(jìn)一步優(yōu)化; 另一種方向則是探索新的大尺寸夾心式換能器設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)束語

UCCET利用超聲波作為耦合媒介來實(shí)現(xiàn)電能的無線傳遞, 是一種被證明在特定領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力的CET技術(shù)。盡管如此, 圍繞它的研究仍然處于初級階段。文中分析了UCCET技術(shù)的基本原理和技術(shù)特點(diǎn), 按照無線電能傳輸系統(tǒng)的功率水平, 分別梳理了國內(nèi)外UCCET的研究現(xiàn)狀, 通過分析可以發(fā)現(xiàn), 現(xiàn)有研究大部分都是圍繞低功率應(yīng)用展開, 在大功率應(yīng)用場合研究還不夠深入。從UCCET的應(yīng)用領(lǐng)域來看, 多數(shù)研究都是圍繞生物醫(yī)療電子領(lǐng)域和隔金屬介質(zhì), 在空氣介質(zhì)和水下的應(yīng)用研究還非常少。最后闡述了UCCET技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn), 隨著這些研究的深入, UCCET技術(shù)一定會成為CET研究領(lǐng)域的新亮點(diǎn)。

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A Review of Ultrasonic Coupled Contactless Energy Transfer Technology

ZHANG Lin-sen1, NING Xiao-ling1*, HU Ping2

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Ultrasonic coupled contactless energy transfer (UCCET) is a relatively new type of contactless energy transfer technology. Based on the analysis of the application and advantages of UCCET, the fundamental principle of UCCET was analyzed, and the technical characteristics of UCCET are summarized in this paper. Then, the research status of UCCET in the fields of bio-implantable medical device power supply, device power supply through the metal medium, device power supply through air, and device power supply through the water medium using UCCET was reviewed for low-power and high-power applications. Finally, the technical challenges of UCCET in acoustic impedance matching, transmission mechanism research, and transducer design theory are presented in this paper.

contactless energy transfer; ultrasonic; coupled

TJ630.32; TM724

R

2096-3920(2021)03-0257-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.002

張林森, 寧小玲, 胡平. 超聲耦合無線電能傳輸技術(shù)研究綜述[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(3): 257-264.

2020-11-20;

2021-02-03.

湖北省自然科學(xué)基金(2018CFC866).

張林森(1982-), 博士, 講師, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅髂茉磁c推進(jìn)技術(shù).

簡介:寧小玲(1982-), 博士, 講師, 主要研究方向?yàn)樗聼o線通信技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)