紙盆結構在壓電式合成射流驅動器上的應用

張 立 王幫峰 周 勇

1.南京航空航天大學，南京，210016 2.南京信息工程大學，南京，210044

0 引言

壓電式合成射流驅動器作為一種近年來提出的主動控制技術而被各國軍方和相關政府部門及科研機構所高度重視［1］，成為當前的一個研究熱點。Utturkar 等［2］、Morel－ Fatio 等［3］、Bailo等［4］、Calkins等［5］分別對其從射流原理、應用效果、驅動器設計和測試與評價系統(tǒng)等方面進行了研究。

制約壓電式合成射流驅動器廣泛使用的一個主要因素就是其驅動控制能力較弱，而壓電式合成射流驅動器與壓電式紙盆揚聲器在結構上卻有著諸多相似之處。為了增強驅動器的驅動能力，本文提出將壓電式揚聲器的紙盆結構引入到壓電式合成射流驅動器的設計中來，并用實驗的方法驗證了這種應用對壓電式合成射流驅動器有積極的影響。

1 紙盆式壓電合成射流驅動器

壓電式合成射流驅動器的基本組成元件是一個腔體和振動材料。振動材料由壓電材料驅動，一般使用PZT5A型壓電片。傳統(tǒng)的振動材料是厚度小于0.1mm的金屬薄膜，周圈通過夾持或者粘接固定于腔體一面。當壓電片受周期性信號激勵時，振動薄膜做周期性往復運動，使得腔體內氣體通過開孔擠出或吸入。擠出的氣體和周圍靜止氣體之間產生剪切應力形成渦旋，在自引作用下脫離腔體運動。當處于吸入狀態(tài)時，孔周圍氣體吸入腔體，前半周期擠出的氣體由于已遠離腔體而不再受影響。如此反復，合成射流形成。原理如圖1所示。

圖1 壓電合成射流驅動器原理圖

從壓電合成射流驅動器的原理可知：驅動器的振動膜由于振動而使得腔體體積產生的變化量對合成射流強度的影響是非常顯著的。如果能通過改進振動膜，增強振動，使得驅動器體積變化量增大，那么驅動器所產生的射流強度即會有效增強。而揚聲器的紙盆結構本身也是壓電片與振動膜的組合結構，將其應用到合成射流驅動器中，對驅動器的性能起到了積極的影響。

2 實驗設備

2.1 驅動器試件制作

為了考察采用了紙盆結構的驅動器的實際驅動效果，驅動器試件按如下方式制作：試件由三層組成，上層為中心打孔的有機玻璃板（聚甲基丙烯酸甲酯）；中間層同樣為有機玻璃板，但中間切割出圓柱型腔體；最下層為揚聲器所用的紙盆與壓電片。各層之間通過環(huán)氧樹脂膠緊密粘合。試件幾何參數(shù)如圖2所示，試件尺寸如表1所示。

圖2 試件幾何參數(shù)

表1 驅動器試件的幾何尺寸參數(shù) mm

2.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由信號發(fā)生器、功率放大器、熱線探針、壓差補償式風速儀、PC機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。信號發(fā)生器（GWGFC8016G）產生正弦交流信號；功率放大器（KROHN－HITE7602）將正弦信號放大至Vp－p＝40V后施加于試件上；當驅動器工作時，熱線風速儀（TSI100）將產生的壓差信號傳遞給PC機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在測量過程中，熱線探針始終垂直于試件風速出口平面，并由三向定位系統(tǒng)定位。使用基于PC機的數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號經(jīng)過與標定值對比，可得到實際驅動器的出口風速。整個測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 實驗裝置

3 測試結果與分析

3.1 時均速度頻率響應

首先在試件出口中心法線上距離試件一倍孔徑處定位熱線探針，測得驅動器試件在激勵頻率為0～3500Hz范圍內出口時均速度曲線如圖4所示。

圖4 時均速度頻響曲線

時均速度頻響曲線分為三個區(qū)域：0～1000Hz為低頻區(qū)、1000～2500Hz為中頻區(qū)、2500Hz之后為高頻區(qū)。在低頻區(qū)與高頻區(qū)都出現(xiàn)了峰值點，分別為12.7m／s與21m／s，而在中頻區(qū)，射流速度平穩(wěn)增長，穩(wěn)定在15m／s左右。顯然這比普通壓電合成射流驅動器最大不足10m／s的時均速度相比，有了明顯的提高［6－7］。

3.2 各區(qū)域峰值處射流

為了分析驅動器試件在各區(qū)域不同的性能表現(xiàn)，取各區(qū)域峰值頻率處風速隨時間變化的曲線如圖5所示。圖中，取樣頻率為10kHz，取樣時間為0.05s，縱坐標最大值都為70m／s。

圖5 各峰值頻率處時間響應曲線

如圖5a所示，在低頻區(qū)峰值點760Hz處，驅動器振動一周期內可以明顯地分辨出吸入階段與噴出階段：在吸入階段，出口周圍各方向的氣體都被吸入腔中，故這半周期的最大速度較小；當處于噴出階段時，由于氣體全部沿出口中心法線方向向外噴出，氣流相對吸入階段要集中得多，故在這半周期最大速度要大。同時由于用于測量的熱線探針只能測量標量值，并不能反映射流的方向，而合成射流在出口處由于剪切作用明顯，形成的渦環(huán)速度方向并非完全垂直于出口平面，所以在每半個周期內，速度曲線并沒有呈現(xiàn)出嚴格的對稱性。

在中頻區(qū)，驅動器射流增長穩(wěn)定，從處于1883Hz最大時均風速處的時間響應曲線（圖5b）可以看出：噴出階段速度的最大值要比低頻區(qū)高，然而同一周期內處于峰值點周圍的時間要比低頻區(qū)峰值點處要短，所以反映在時均速度曲線上，低頻區(qū)峰值點處時均速度與中頻區(qū)的時均速度相差不大；在中頻區(qū)，每半個周期內，出口射流速度方向改變開始變得頻繁，產生的渦環(huán)速度較小，不再被熱線探針所感知，所以速度曲線呈現(xiàn)出較好的對稱性，并且同樣可以明顯地辨別出吸入階段與噴出階段。

在高頻區(qū)，如圖5c所示，2580Hz處，由于此處頻率最高，所以出口處速度變化最為劇烈，同一周期內，在熱線探針所處的位置，當驅動器噴出的射流還未被吸入階段完全削弱掉時，新周期的噴出階段又開始了，即在時間響應曲線上吸入周期已經(jīng)消失，同時由于受這種周期性劇烈變化的影響，峰谷處時間縮短，這樣從時均曲線上來看，這里時均速度最高。

3.3 周期內最大速度頻率響應

取圖5中各頻率點每周期內最大速度值，得到驅動器最大速度頻率響應曲線如圖6所示。與圖4時均速度曲線相比，兩曲線形狀相似，同樣可分為高中低三個頻率區(qū)域。然而最大速度頻響曲線在低頻區(qū)的峰值速度即達到57m／s，而在高頻區(qū)增加到71m／s，增幅只有不足25%；圖4中，高頻區(qū)速度峰值比低頻區(qū)速度峰值增幅則達到65%。結合圖5可知，最大峰值速度在各區(qū)域雖差距不大，但隨著頻率的增大，驅動器有效射流時間延長，時均速度顯著增大。

圖6 周期內最大速度頻響曲線

圖7是一個較為典型的壓電合成射流驅動器的速度頻率響應曲線圖。其使用的驅動器尺寸為開孔：35.5mm×0.5mm，腔體：57mm×57mm，壓電片直徑：25mm，厚度：0.14mm。相比較于使用紙盆結構，首先其頻率響應范圍要窄（小于1500Hz）；其次，最大峰值速度vmax小于60m／s，顯然比紙盆結構要??；而平均速度vmean除在200Hz時能達到10m／s外，隨頻率升高，速度幾乎為0。由此可見，采用紙盆結構的壓電式合成射流驅動器可以有效增強驅動能力。

3.4 沿開孔中心法線上射流強度分布

當熱線探針沿驅動器出口中心法線向遠離出口平面方向移動時，測得射流時均速度沿法線分布如圖8所示。

圖7 文獻［6］中的最大速度頻響分布

圖8 時均速度沿開孔中心法線分布

驅動器試件的孔徑是2mm，在距離出口2～20mm，即10倍于孔徑長度的距離內射流強度減弱得很快，而當大于10倍孔徑的距離時，射流的衰退趨于平緩。這與文獻［7］中傳統(tǒng)的壓電射流驅動器出口射流的特征相似（見圖9）。該驅動器開口直徑為0.5mm，孔深5mm，驅動器腔體體積為40mm×40mm×1.42mm（圖中y為出口距離，d為孔徑）。由于熱線探針直徑只有5μm，較容易損壞，在實驗時未能貼近出口，暫未發(fā)現(xiàn)如圖9中所示的出口附近速度反而下降的現(xiàn)象。從射流法向分布來看，紙盆結構的驅動器和傳統(tǒng)驅動器有著相似的特性，而開孔附近可達21m／s的速度，在距離達到15倍孔徑范圍時，時均速度依然有5m／s，顯然其驅動能力得到大大增強。

圖9 文獻［7］中時均速度沿開孔中心線分布

4 結語

本文將揚聲器紙盆結構引入到壓電式合成射流驅動器中來，用實驗的方法測試了其性能。結果顯示，驅動器在頻響各區(qū)域射流特征不同，頻率越高，正向射流越強烈；無論是從時均速度頻響曲線還是從最大速度頻響曲線上看，采用了紙盆結構的驅動器驅動性能都有明顯的提升；同時射流下游影響范圍也有明顯增大?？傮w來看，將紙盆結構引入到驅動器的設計中來得到了較好的效果，今后可對其進一步研究。

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［3]Morel－Fatio S，Pines D J，Kiddy J.UAV Performance Enhancements with Piezoelectric Synthetic Jet Actuators［EB／OL］.［2012－12－17］.http：／／www.smart－uav.re.kr／information／file／proceedings02.pdf.

［4]Bailo K C，Brei D E，Calkins F T.Investigation of PVDF Active Diaphragms for Synthetic Jets［EB／OL］.［2012－12－17］.http：／／proceedings.spiedigitallibrary.org／proceeding.aspx？articleid＝925162.

［5]Calkins F T，Mabe J H.Multilayer PVDF Actuators for Active Flow Control［EB／OL］.［2012－12－17］.http：／／www.aric.or.kr／treatise／journal／content.asp？idx＝27749.

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［7]Lee C，Hong G，Ha Q P，et al.A Piezoelectrically Actuated Micro Synthetic Jet for Active Flow Control［J］.Sensors and Actuators，2003，108（1／3）：168－174.