基于超声波的无线电能传输的研究

    张涛

    摘 要：在研究电能传输媒介的过程中发现，超声波作为一种全新传输方式，截至目前相关研究针对其的认识仍然十分有限。采用超声波方式进行电能传输，且具有方向性较强，而且能更容易集中以及传播距离更远，同时利用超声波还能实现无线电能在空气的传输。本文在超声波无线电能传输的原理以及基础公式上，估算出超声波的传输功率。

    关键词：超声波;电能传输;电能传输优势

    无线电能传输是2007年麻省理工学院科学家们研究的无线充电成果，他们利用电磁共振器成功把在两公尺外将一个60瓦的灯泡点亮，并把这种技术取名为无线电能。无线电能技术研究成功，在世界上掀起了一股无线电能的话题以及科技研究。其原理与无线通信技术相似，都是人们通过无形的介质（例如电场、磁场、微波等），实现电能无线传输。这项技术是电力电子、高频电子和电磁感应的等多项科学技术相结合而实验成功的，是人们对能源传输和接入的一次革命性的改革。

    1 超声波无线电能传输原理

    超声波是指声波频率大于20KHZ的声波。它与声波有着共同之处，都是通过物质的振动而产生的，并且只能通过介质传播。目前通过人为的产生超声波的方法有三种即流体动力法、磁致伸缩效应法和压电效应法。其中压电效应法是最为简单快捷产生超声波的方法。

    超声波无线电能在进行传输阶段，主要划分出了两个部分，分别是发射与接收。发射模块中电振子会在功率放大器的作用下形成超声波，并在振动气流条件下造成空气振动，产生能量传递。对于接收端的电振子通过正压电的效应下产生振动，并对振动能量完成转化，形成电能，此时便可以利用检测设备针对电压进行感应。

    之所以超声波不能用一个公式表达清楚其在传播时接收和换能的传输功率，是因为空气中存在对其产生影响的其他介質和热传导等物理现象以及受超声波换能器的影响，所以把它们用电路的形式来表达，会更加的清楚直观。

    2 换能器的设计

    虽然超声波的换能器有很多种样式，但它们都与气-固体声阻抗严重不符，所以导致目前以空气为媒介的超声波换能的发展非常的落后，同样也使得空气超声波技术发展相对落后。但是近来由于科学技术一次又一次的革新，出现很多新型材料，如尼龙薄膜、聚醚碸等，因为它们具备匹配换能器的优质特点，如孔多、声阻抗小、散射损耗低等。此外还出现很多针对于换能器的分析和设计的软件，就更能使人民对换能器的数据、辐射功率、方向性等参数的掌握。随着这些因素的诞生，大大促进换能器的研究，使得利用超声波传输电能成为一种全新的创新。

    复合材料四分之一波长匹配的方法是有三个原则必须遵守。每波长损耗要<0.14Np;最外面的匹配层的声阻为0.04至0.3MRayl;材料的频率系数和衰减系数必须呈现出线性的关系。由于材料特性的限制，想要实现阻抗的有效匹配，可以使用多层匹配的方式。

    纵弯模式匹配，其基本构架是由夹心式换能器、辐射板与变幅杆所组成的，其特点可以承受较大功率的电能和具有较好的机械强度。为使系统声功率能有较好的改善，可以在复合棒的末端使用阶梯型变幅杆，使薄弯板获得较大的振动频率，从而实现声功率的提升。

    3 超声波无线输电的效率分析

    在进行无线电能传输阶段，需要控制好电能传输功率情况，这也是决定超声波无线输电的重要条件。更加关系到传输性能。为此，就需要针对电能输出及能量转化问题进行分析，探索主要影响因素，并分析其应用性。

    超声波无线电能传输过程中，需要记录能量流动具体参数，这些参数十分重要，包括换能器、声能转换、机械能以及电能转化相关数据，掌握此类数据的主要目的是为了进行能量之间的耦合，为此，可以使用相同压电材料（Y-4收发两用），达到能量共振效果。

    为了分析能量传输效率问题，则需要针对接收以及发射换能器方面的效率进行计算，发现两者效率相等，由此可知实际计算过程中仅需要考虑超声波在发射阶段的唯一影响因素，传输功率即可。因此，对电机能量转换方面产生影响的主要因素即为有效机电耦合系数、介电损耗以及机械损耗三项。其中有效机电耦合系统作为无单位物理量，公式表示为：

    该式中代表的是电陶瓷的动态电容与并联电容。

    假设动态电容高于并联电容条件下，则由于电-机能量耦合实际效率将会越高的结果。

    电损耗质是电介质在交变电场中，由于消耗部分电能而使电介质发热的现象。这个损耗可用介电损耗电阻表示，其公式为：，w是电场频率。机械损耗为压电陶瓷谐振时机械损耗的大小，可反映出压电陶瓷振动摩擦而消耗的能量，可用来表示，其中分别是压电陶瓷的机械共振频率，当机械支路的串联电容和机械损耗阻抗，可以发现压电陶瓷的频率越高机械损耗就越大。

    在针对机械能以及声能方面的传输研究阶段，发现在不同环境汇总超声波所产生的输电功率也将会由于距离因素而发生下降的情况，并且频率越高下降的速度也就越快。因此选择输电频率时，能量和效率是重要的参考因素。

    4 结束语

    综上所述，通过对超声波的无线传输能量原理、能量转换进行分析探讨。得出影响能量传输的因素。超声波的特点在于其不受无电磁场的干扰，可以帮助一些特殊的场所提供供电，同时也能帮助我国在特殊科学领域的发展。超声波是一门多学科新型的技术，具有深刻的意义以及广泛的应用。我国也将不断的对超声波技术进行深入地探究与完善。

    参考文献：

    [1]赵鑫.纵振式超声波无线电能传输装置仿真与实验[J].长春工业大学学报，2017，38（03）：251-255.

    [2]张建华，黄学良，邹玉炜，柏杨.利用超声波方式实现无线电能传输的可行性的研究[J].电工电能新技术，2015，30（02）：66-69+74.

    [3]柏杨，黄学良，邹玉炜，丁晓辰.基于超声波的无线电能传输的研究[J].压电与声光，2015，33（02）：324-327.