Page 153 - 《应用声学》2021年第5期

第 40 卷 第 5 期 叶俊杰等： 亥姆霍兹效应和文丘里效应复合型换能器设计 797

端给外部电路供电，其中电容C 2 可起到滤波以及保 声压的放大效果一样，文丘里管对声波并无影响。
护电路的作用。 对换能器进行内部空气域以及压电片的建模，添
加湍流 k–ε 以及固体力学两个物理场，并进行流固
耦合，设置入口气体流速为 20 m/s，对其进行稳态
4
3
J1 J2
研究计算，计算结果如图 5(b) 所示，图上颜色的变
AC V+
2 2 化表示压电片 y 方向形变量的大小，可看出将文丘
1 D1 C  C  1
AC V- 0.1 F 104
AC IN GBJ250 OUT 里管换为直管后，压电片受气流影响产生的形变由
1 −3
2 3.58 µm 减少为 1.7766 × 10 µm。说明将直管换
为文丘里管后，对声波的利用效果并无变化，但对气
图 3 储能电路图 流的能量进行了利用，改进了现有的单一环境能量
Fig. 3 Energy storage circuit diagram 获取方式。

2 仿真分析 Pa 3
1.29T10
T10 3
2.1 文丘里管流固耦合仿真分析 1.00
0.67
对文丘里管进行流体域建模，选用湍流 k–ε 物 0.33
0
理场模型，设置入口边界条件气流速度，进行稳态研 -0.33
-0.67
究。图 4 为文丘里压力仿真云图，最低负压区出现 -1.00
-1.33
在靠近汇聚口的喉部位置，亥姆霍兹共振器的颈部 తͰ᠇ԍӝ -1.66
-2.04
与此位置连接。 -2.04T10 3
对换能器单元进行内部空气域建模，并将文丘
图 4 文丘里管气流压力仿真云图
里管换为直径与文丘里管入口直径相等的直管做 Fig. 4 Simulation cloud diagram of Venturi tube
对比仿真，由图 5(a) 可看出二者的亥姆霍兹腔体内 airflow pressure

ܦԍጟ/dB ܦԍጟ/dB ᛫᭧: ͯረڤ, Y Ѭ᧚(m) ᛫᭧: ͯረڤ, Y Ѭ᧚(m)
m m
dB dB 0 1.73T10 -9
104 T10 -6 T10 -10
104
100 0
100 -1 15
90 10
90 -2 5
80 y 80 y -3 y
y x z 0
x z 70 z x 67.5 x z -3.58T10 -6 -4.66T10 -11
67.5
(a) ܦฉ༏ҵ͌ᄾࠫඋ (b) ඡื༏ҵॎԫ͌ᄾࠫඋ
0.7
0.6
0.5
঴ᑟႃ/J 0.4
0.3
0.2
0.1
0
5 10 15 20 25 30
᮳ᤴ/(mSs -1 )
(c) ૱ᑟ٨ӭЋඡื༏ҵ̗ၷႃᑟ͌ᄾڏ

图 5 声学、流体对比仿真及气流产生电能仿真图
Fig. 5 Sound pressure level and piezoelectric sheet deformation comparison and air flow generated elec-
tricity diagram