Page 154 - 《应用声学》2021年第5期

798 2021 年 9 月

对换能器单元添加压电片建模，并在流固耦合 3 实验研究
的基础上添加静电学与压电效应，设置入口风速以
2.5 m/s 为步长在 5 ∼ 30 m/s 内变化，做 11 次仿真， 3.1 声电转换实验
每个风速都对应一个总电能值，如图 5(c) 所示。由 为验证共振频率，进行声能发电实验，搭建如
仿真可知，在常见风速 10 ∼ 20 m/s 之间，换能器单 图 7 所示实验台，实验设备选用：YE5871A 型功率
元由文丘里效应可产生 0.0044 ∼ 0.094 J 的电能，且 放大器、cDAQ-9171 型数据采集卡、DQ30TZF-03
风速越大产生的电能越多。 型扬声器。将音量设为 90 dB，扬声器发出宽带噪
2.2 亥姆霍兹共振器声学仿真分析 声信号，计算机控制声波信号频率以5 Hz 为步长在
如图 2(a) 对亥姆霍兹共振器与文丘里管组合 100 ∼ 1000 Hz之间进行扫频，激励换能器上的压电
单元的空气域以及共振器顶部压电片进行建模，添 片进行振动，分别在压电片以黏结剂方式固定和压
加压力声学物理场，设置初始压力值 1 Pa，设置作 电片以垫圈方式固定两种情况下进行实验，处理实
用声波为平面辐射波，入射声压设为 1 Pa，以 5 Hz 验数据并绘制图 8 所示一维图，在频率为 255 Hz 时
为步长在 25 ∼ 500 Hz 频段上仿真。输入绘图公式 电压达到最高，与理论计算共振频率相比，实验误差
( )
w_in 为3.2%，同时可看出利用橡胶垫圈固定压电片在改
10 × lg 画出如图 6 所示传递损失仿真一
w_out 善边界条件后在共振频率附近声能的转化效率有
维图，传递损失峰值为 23 dB，出现在 245 Hz 处，与
所提高，在共振频率处黏结剂固定压电片方式产生
理论计算所得共振频率246.7 Hz基本一致。
的电压为 1.074 V、橡胶圈固定压电片方式产生的
2.3 声-结构-电多域耦合仿真研究
电压为1.169 V，对比可得电压提升了8.8%。
对换能器进行内部空气域以及压电片的建模，
஝૶᧔ᬷӵ ੴܦ٨ 3D੪ӿ
将出口、入口处的空气域设为矩形，在压电片的铜片 ፇ౞
边缘添加固定约束，添加固体力学与压力声学、固
体力学与静电学的多物理场耦合，以5 Hz 为步长在
25 ∼ 500 Hz频段上进行频域研究。
传递损失为消声元件入口处的入射声功率级
与出口处的透射声功率级之差，其值的大小可以用
来衡量元件消声性能，在共振频率处，元件的传递损
图 7 声电转换实验台
失最大。由图 6 中总电能频域曲线图可知，在其共
Fig. 7 Voltage frequency domain acquisition ex-
振频率 245 Hz 处总电能达到最大，与换能器单元传 periment platform
递损失峰值频率一致，在共振频率附近产生的电能
最多。 1.4
ᳫፇҎڍࠀԍႃྟ
1.2 ൃᑛۙڔڍࠀԍႃྟ
30 0.15
ӭ˔ӭЋ͜᤬૯ܿ 1.0
டࡏፇ౞঴ႃᑟ 0.8
ႃԍ/V 0.6
0.10
20
͜᤬૯ܿ/dB ঴ႃᑟ/J 0.4
0.2
0.05
10
0
200 400 600 800 1000
ᮠဋ/Hz
0 0
0 100 200 300 400 500 图 8 两种不同的压电片固定方式在不同频率噪声
ᮠဋ/Hz
下产生的电压
图 6 传递损失与总电能仿真 Fig. 8 The voltage generated by two different
Fig. 6 Transmission loss and total power simula- piezoelectric film fixing methods under different
tion frequency noises