限幅振荡的引信气流谐振压电发电机

雷军命，李新文，朱雅鹏，孔令利，孙诚诚 (， )

0 引言

气流谐振压电发电机为引信用物理电源的一种，用压电振子替代了射流发电机的磁电转换机构[1-3]。文献[4]提出引信微环音振荡压电发电机，是利用弹丸飞行过程中迎面气流激励喷注管内压电晶体产生电能的压电发电机。文献[1]和文献[4]在本质上都是一种将弹丸飞行中的气流通过环音振荡器，使得压电振子在谐振点附近连续振动，由正压电效应，压电振子输出电能，而压电电振子在谐振状态时具有较高的压电转换效率，使得该电源能满足低功耗引信电路的全弹道供电，同时可提供基于环境激励的解除保险信号。文献[5]提出了一种基于MEMS的微型气流谐振压电发电机，但输出功率小。文献[1]中的气流谐振压电发电机在高弹速、长时间工作时，存在压电振子容易破裂的问题。文献[6]提出了一种引信气流谐振压电发电机用焊接环形压电振子，在一定程度上提高了复合压电振子的强度，实验室吹风模拟试验表明，在800 m/s风速下，带有环形压电振子的气流谐振压电发电机持续工作200 s后，压电陶瓷片没有破裂。将试验风速提高到1 000 m/s风速时，环形压电振子就出现了破裂现象，其原因是由于压电振子振幅过大引起的。为此，本文提出了限幅振荡的引信气流谐振压电发电机。

1 气流谐振压电发电机

1.1 构造和原理

气流谐振压电发电机由环形喷咀、气流谐振腔和压电振子组成[4]。如图1所示，将压电振子周边固定在气流谐振腔的底部，且使气流谐振腔的共振频率与压电振子的谐振频率接近，从压电振子的两极分别引出两根引线，构成气流谐振压电发电机的输出极。弹在空中飞行时，气流通过环形气道，形成环形气流冲击气流谐振腔头部的环形尖劈边缘，产生环音，在管口处形成声波振动。由于声波振动的频率与谐振腔共振频率相近，因此在气流谐振腔中形成空气介质共振。这种介质共振会引起谐振腔底部压电振子产生相同频率的振动，使压电振子在谐振点附近振动。由正压电效应，引线两端就会输出交变电流，其输出大小与弹在空气中的飞行速度成正比。

为了提高压电振子的强度，一般是将压电陶瓷薄片与金属薄片黏结在一起，比如常用的胶粘结办法，文献[4]提出的焊接办法在黏结强度和机电转换系数上要好于胶粘结的办法，但在更高弹速时，比如122 mm远程火箭弹上，弹速要超过1 000 m/s，且工作时间要超过200 s，文献[4]提出的环形压电振子在可靠性上存在一定的隐患，原因是复合压电振子的变形过大，造成压电陶瓷片破裂。

1.2 压电振子振幅与弹速关系

谐振腔中介质的振幅值与管口声压成正比，与短管的截面积成反比，声波在管中的传波为驻波形式，可由式(1)表示[7]。

(1)

式(1)中,υa为谐振腔中介质的振幅值，Pa为管口声压，S1为短管的截面积，Ra为声容，Xa为声抗。

式(1)中的υa越大复合压电振子的振幅越大，管口声压Pa随着弹速增大而变大，由于弹丸在超音速飞行时会产生的激波效应，两者不成正比关系。因此弹速越大，复合压电振子的振幅越大。

气流谐振压电发电机的复合压电振子的结构示意图如图2所示，采用周边固定的方式。

弹丸在飞行时，气流通过环形气道，形成环形气流冲击气流谐振腔头部的环形尖劈边缘，产生环音，在管口处形成声波振动，并触发谐振腔内部的空气进入谐振状态，腔体底部的复合压电振子在气体压力和自身弹性的作用下产生周期振动，且弹速越高，振幅越大。

将气流谐振压电发电机安装在122 mm远程火箭弹引信内，设计了进气道和出气道，利用FLUENT流体仿真软件计算出150 m/s和1 000 m/s弹速时谐振腔内部的压力云图如图3、图4所示。

从图3可以得到风速为150 m/s时谐振腔内部产生的压力为0.95×105Pa。从图4可以得到风速为1 000 m/s时谐振腔内部产生的压力为6.7×105Pa，压力分布均匀。将这两个力作用在复合压电振子结构上，利用ANSYS软件进行结构分析和模态分析，从而得到谐振片的振幅大小。图5为谐振片的计算网格图。

计算得到风速为150 m/s时谐振片的最大振幅接近0.2 mm，风速为1 000 m/s时谐振片的最大振幅接近1.2 mm。

复合压电振子的振幅主要受到压电陶瓷片的限制，在大振幅时，陶瓷片容易破裂，试验结果也证明了这一点。

2 限幅振荡的引信气流谐振压电发电机

在谐振状态下，压电振子中交变的机械应变与应力的幅值通常要比极限许用值小得多，较大的振幅反而不利于压电振子在谐振状态下的正常工作[8]。因此，为了提高谐振压电发电机的工作时间和可靠性，应控制复合压电振子的振幅。为了降低发电机的启动风速，应减小金属基片的厚度，易于复合压电振子起振。

为此，提出了限幅振荡的引信气流谐振压电发电机，将图2所示复合压电振子的金属基片厚度减小，在前端增加一个环形垫片和一个金属谐振片，结构示意图如图6所示。由于金属基片厚度的减小，使得发电机的启动变得容易，前端金属谐振片由于没有压电陶瓷片的限制，从而提高了强度。当弹丸在空中飞行时，气流进入带有进气口的环形喷头形成环形射流，环形射流撞击谐振腔的尖劈形成声的振荡，只要该振荡频率与谐振腔的固有频率相同，就在谐振腔中形成空气共振，谐振腔的空气振动激励底部的谐振片产生谐振，谐振片以谐振频率连续击打复合压电振子，使得复合压电振子也以相同频率强迫振动。

谐振片的振动幅度跟气流大小成正比关系，环形垫片设置在谐振片和复合压电振子之间，由于当谐振片的振幅超过环形垫片的厚度时会击打到复合压电振子，损失能量，因此会对谐振片振动幅度起到限制作用，复合压电振子也同样，从而使气流谐振压电发电机能适应更高的弹速和更长的弹道飞行时间。

3 试验验证

3.1 模拟高风速长时间工作性能吹风试验

由于射流吹风模拟装置提供不了风速为1 000 m/s、持续时间不小于200 s的试验条件。本方案通过仿真弹丸在1 000 m/s风速时，发电机引信进气口处的质量流量K，然后通过仿真计算比对得到图7所示的管道吹风模拟装置图c点处的质量流量值为K时的管道压力值P，管道压力值为P时，即认为发电机在1 000 m/s风速下工作。

图8为气流谐振压电发电机在1 000 m/s风速条件下，持续工作200 s的曲线图。

从图8可以看出，限幅振荡的气流谐振压电发电机工作时间均大于200 s，单峰最大值分别为：92 V，均方根值为64.4 V。计算得知发电机在3 kΩ负载时，输出功率大于1.38 W。

3.2 模拟火箭弹低速启动存储测试

由于火箭弹价格高，未用野战火箭弹作飞行试验，使用最高速度450 m/s的模拟火箭弹进行低速启动试验。试验时发电机输出端并接了一个3 kΩ的负载，用弹内存储记录仪采集负载两端的电压。

试验共射击了5发，用雷达跟踪弹丸飞行速度。试验均采到了有效数据。用Matlab软件对试验数据进行了处理，图9为第一发试验数据结果图，最高弹速为256 m/s，这是由于第一发炮管温度低的原故。后续弹道数据和电机输出正常，结果基本接近，图10为典型试验数据结果图。

从图9和图10可以看出。在全弹道中，发电机输出正常，没有掉电现象；输出电压有效值变化与弹速变化一致，在弹道顶点时发电机输出电压最低；发电机频率变化范围较窄。从发电机输出频率与弹速关系来看，发电机启振点几乎与弹速同步，启振瞬间发电机输出有效值为30 V，电流10 mA。

表1为5发电机输出功率及对应的弹速表。由于第一发弹速不正常，对表1的试验数据进行处理时，将第一发数据剔除。

表1中最小输出功率为0.102 W，作统计，求出最小弹速时输出功率均值为0.105 W、标准差0.006 W，用均值减三倍标准差，以0.99的置信度估计极限最小输出功率，得到最小弹速时，最小输出功率不小于0.097 W。

表1 发电机输出功率与对应弹速表

Tab.1 Output of the generator and the corresponding projectile speedometer

序号弹速/(m/s)最大/最小电压有效值/V最大/最小输出功率/W最大/最小负载/kΩ1256/11355/20.01.0/0.13332435/11652/17.50.9/0.10233442/11652/17.50.9/0.10234443/11358/17.51.1/0.10235430/11258/18.51.1/0.1143

一般电子时间引信功耗仅为 mW量级，利用发射时的火控系统给引信电源电容器充电即可工作，以便将火控脐缆脱开瞬间作为计时起点。发电机作为接力电源，在初始段有持续的1 W左右输出的情况下，允许中间断电。以上试验数据表明，限幅振荡的引信气流谐振压电发电机的最小输出近100 mW，完全满足电子时间引信的功耗要求。且发电机的输出电压较高，弹道中可以给发火电容充电到需要的启爆电压，无需电压变换。

4 结论

本文提出限幅振荡的引信气流谐振压电发电机。该发电机是将复合压电振子的金属基片厚度降低，增加了压电陶瓷片的厚度；同时，在复合压电振子的前端设置了一个限位用的环形垫片和金属谐振片。用金属谐振片来击打复合压电振子，环形垫片的厚度用来调整击打复合压电振子的振幅，从而起到限制复合压电振子振动幅度的作用，避免了由于振幅过大压电陶瓷片表面破裂的问题。模拟高风速长时间工作性能吹风试验表明，该发电机在1 000 m/s风速下可持续工作200 s以上未损坏，输出功率1.38 W以上；模拟火箭弹低速启动存储测试表明，发电机响应速度快，全弹道发电机输出正常，没有掉电现象；最小弹速时，最小输出功率近100 mW。该发电机解决了气流谐振压电发电机在高弹速时复合压电振子容易破裂的问题，且体积没有增大，满足在远程火箭弹电子时间引信上的使用要求。

参考文献:

[1]雷军命. 引信气流谐振压电发电机[J]. 控测与控制学报,2009,31(1):23-26.

[2]吕娜，蔡建余，陈荷娟. 弹载气流压电发电机环隙变截面进气孔[J].探测与控制学报，2012，34(3):47-51.

[3]孙加存，陈荷娟.风动压电发电机的结构设计实验研究[J].压电与声光，2012，34(6):860-863.

[4]曲威，陈荷娟，孙加存，等. 微环音振荡压电发电机同步电荷能量采集方法[J]压电与声光, 2013，35(5):672-675.

[5]林瑞娥. 引信气流谐振压电发电机用焊接环形压电振子[J].控测与控制学报,2014,36(1):67-70.

[6]徐伟. 引信用MEMS气流谐振压电发电机[J].探测与控制学报,2011,33(1):9-13.

[7]何琳. 声学理论与工程应用[M].北京：科学出版社，2006.

[8]B. B. 马洛夫.压合谐振传感器[M].翁善臣，译.北京：国防工业出版社. 1984.