纸盆结构在压电式合成射流驱动器上的应用

张 立 王帮峰 周 勇

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

0 引言

压电式合成射流驱动器作为一种近年来提出的主动控制技术而被各国军方和相关政府部门及科研机构所高度重视［1］，成为当前的一个研究热点。Utturkar 等［2］、Morel－ Fatio 等［3］、Bailo等［4］、Calkins等［5］分别对其从射流原理、应用效果、驱动器设计和测试与评价系统等方面进行了研究。

制约压电式合成射流驱动器广泛使用的一个主要因素就是其驱动控制能力较弱，而压电式合成射流驱动器与压电式纸盆扬声器在结构上却有着诸多相似之处。为了增强驱动器的驱动能力，本文提出将压电式扬声器的纸盆结构引入到压电式合成射流驱动器的设计中来，并用实验的方法验证了这种应用对压电式合成射流驱动器有积极的影响。

1 纸盆式压电合成射流驱动器

压电式合成射流驱动器的基本组成元件是一个腔体和振动材料。振动材料由压电材料驱动，一般使用PZT5A型压电片。传统的振动材料是厚度小于0.1mm的金属薄膜，周圈通过夹持或者粘接固定于腔体一面。当压电片受周期性信号激励时，振动薄膜做周期性往复运动，使得腔体内气体通过开孔挤出或吸入。挤出的气体和周围静止气体之间产生剪切应力形成涡旋，在自引作用下脱离腔体运动。当处于吸入状态时，孔周围气体吸入腔体，前半周期挤出的气体由于已远离腔体而不再受影响。如此反复，合成射流形成。原理如图1所示。

图1 压电合成射流驱动器原理图

从压电合成射流驱动器的原理可知：驱动器的振动膜由于振动而使得腔体体积产生的变化量对合成射流强度的影响是非常显著的。如果能通过改进振动膜，增强振动，使得驱动器体积变化量增大，那么驱动器所产生的射流强度即会有效增强。而扬声器的纸盆结构本身也是压电片与振动膜的组合结构，将其应用到合成射流驱动器中，对驱动器的性能起到了积极的影响。

2 实验设备

2.1 驱动器试件制作

为了考察采用了纸盆结构的驱动器的实际驱动效果，驱动器试件按如下方式制作：试件由三层组成，上层为中心打孔的有机玻璃板（聚甲基丙烯酸甲酯）；中间层同样为有机玻璃板，但中间切割出圆柱型腔体；最下层为扬声器所用的纸盆与压电片。各层之间通过环氧树脂胶紧密粘合。试件几何参数如图2所示，试件尺寸如表1所示。

图2 试件几何参数

表1 驱动器试件的几何尺寸参数 mm

2.2 测试系统

测试系统由信号发生器、功率放大器、热线探针、压差补偿式风速仪、PC机数据采集系统组成。信号发生器（GWGFC8016G）产生正弦交流信号；功率放大器（KROHN－HITE7602）将正弦信号放大至Vp－p＝40V后施加于试件上；当驱动器工作时，热线风速仪（TSI100）将产生的压差信号传递给PC机数据采集系统。在测量过程中，热线探针始终垂直于试件风速出口平面，并由三向定位系统定位。使用基于PC机的数据采集卡采集到的信号经过与标定值对比，可得到实际驱动器的出口风速。整个测试系统如图3所示。

图3 实验装置

3 测试结果与分析

3.1 时均速度频率响应

首先在试件出口中心法线上距离试件一倍孔径处定位热线探针，测得驱动器试件在激励频率为0～3500Hz范围内出口时均速度曲线如图4所示。

图4 时均速度频响曲线

时均速度频响曲线分为三个区域：0～1000Hz为低频区、1000～2500Hz为中频区、2500Hz之后为高频区。在低频区与高频区都出现了峰值点，分别为12.7m／s与21m／s，而在中频区，射流速度平稳增长，稳定在15m／s左右。显然这比普通压电合成射流驱动器最大不足10m／s的时均速度相比，有了明显的提高［6－7］。

3.2 各区域峰值处射流

为了分析驱动器试件在各区域不同的性能表现，取各区域峰值频率处风速随时间变化的曲线如图5所示。图中，取样频率为10kHz，取样时间为0.05s，纵坐标最大值都为70m／s。

图5 各峰值频率处时间响应曲线

如图5a所示，在低频区峰值点760Hz处，驱动器振动一周期内可以明显地分辨出吸入阶段与喷出阶段：在吸入阶段，出口周围各方向的气体都被吸入腔中，故这半周期的最大速度较小；当处于喷出阶段时，由于气体全部沿出口中心法线方向向外喷出，气流相对吸入阶段要集中得多，故在这半周期最大速度要大。同时由于用于测量的热线探针只能测量标量值，并不能反映射流的方向，而合成射流在出口处由于剪切作用明显，形成的涡环速度方向并非完全垂直于出口平面，所以在每半个周期内，速度曲线并没有呈现出严格的对称性。

在中频区，驱动器射流增长稳定，从处于1883Hz最大时均风速处的时间响应曲线（图5b）可以看出：喷出阶段速度的最大值要比低频区高，然而同一周期内处于峰值点周围的时间要比低频区峰值点处要短，所以反映在时均速度曲线上，低频区峰值点处时均速度与中频区的时均速度相差不大；在中频区，每半个周期内，出口射流速度方向改变开始变得频繁，产生的涡环速度较小，不再被热线探针所感知，所以速度曲线呈现出较好的对称性，并且同样可以明显地辨别出吸入阶段与喷出阶段。

在高频区，如图5c所示，2580Hz处，由于此处频率最高，所以出口处速度变化最为剧烈，同一周期内，在热线探针所处的位置，当驱动器喷出的射流还未被吸入阶段完全削弱掉时，新周期的喷出阶段又开始了，即在时间响应曲线上吸入周期已经消失，同时由于受这种周期性剧烈变化的影响，峰谷处时间缩短，这样从时均曲线上来看，这里时均速度最高。

3.3 周期内最大速度频率响应

取图5中各频率点每周期内最大速度值，得到驱动器最大速度频率响应曲线如图6所示。与图4时均速度曲线相比，两曲线形状相似，同样可分为高中低三个频率区域。然而最大速度频响曲线在低频区的峰值速度即达到57m／s，而在高频区增加到71m／s，增幅只有不足25%；图4中，高频区速度峰值比低频区速度峰值增幅则达到65%。结合图5可知，最大峰值速度在各区域虽差距不大，但随着频率的增大，驱动器有效射流时间延长，时均速度显著增大。

图6 周期内最大速度频响曲线

图7是一个较为典型的压电合成射流驱动器的速度频率响应曲线图。其使用的驱动器尺寸为开孔：35.5mm×0.5mm，腔体：57mm×57mm，压电片直径：25mm，厚度：0.14mm。相比较于使用纸盆结构，首先其频率响应范围要窄（小于1500Hz）；其次，最大峰值速度vmax小于60m／s，显然比纸盆结构要小；而平均速度vmean除在200Hz时能达到10m／s外，随频率升高，速度几乎为0。由此可见，采用纸盆结构的压电式合成射流驱动器可以有效增强驱动能力。

3.4 沿开孔中心法线上射流强度分布

当热线探针沿驱动器出口中心法线向远离出口平面方向移动时，测得射流时均速度沿法线分布如图8所示。

图7 文献［6］中的最大速度频响分布

图8 时均速度沿开孔中心法线分布

驱动器试件的孔径是2mm，在距离出口2～20mm，即10倍于孔径长度的距离内射流强度减弱得很快，而当大于10倍孔径的距离时，射流的衰退趋于平缓。这与文献［7］中传统的压电射流驱动器出口射流的特征相似（见图9）。该驱动器开口直径为0.5mm，孔深5mm，驱动器腔体体积为40mm×40mm×1.42mm（图中y为出口距离，d为孔径）。由于热线探针直径只有5μm，较容易损坏，在实验时未能贴近出口，暂未发现如图9中所示的出口附近速度反而下降的现象。从射流法向分布来看，纸盆结构的驱动器和传统驱动器有着相似的特性，而开孔附近可达21m／s的速度，在距离达到15倍孔径范围时，时均速度依然有5m／s，显然其驱动能力得到大大增强。

图9 文献［7］中时均速度沿开孔中心线分布

4 结语

本文将扬声器纸盆结构引入到压电式合成射流驱动器中来，用实验的方法测试了其性能。结果显示，驱动器在频响各区域射流特征不同，频率越高，正向射流越强烈；无论是从时均速度频响曲线还是从最大速度频响曲线上看，采用了纸盆结构的驱动器驱动性能都有明显的提升；同时射流下游影响范围也有明显增大。总体来看，将纸盆结构引入到驱动器的设计中来得到了较好的效果，今后可对其进一步研究。

［1]Kudva J N，Martin C A，Scherer L B，et al.Overview of the DARPA／AFRL／NASA－Smart Wing Program［EB／OL］.［2012－12－17］.http：／／proceedings.spiedigitallibrary.org／proceeding.aspx？articleid＝983002.

［2]Utturkar Y，Holman R，Mittal R，et al.A Jet Formation Criterion for Synthetic Jet Actuators［EB／OL］.［2012－12－17］.http：／／project.seas.gwu.edu／～fsagmae／papers／AIAA－2003－0636.pdf.

［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.

［6]Chen J，Yao C，Beele G B，et al.Development of Synthetic Jet Actuators for Active Flow Control at NASA Langley［EB／OL］.［2012－12－17］.http：／／www.aric.or.kr／treatise／journal／content.asp？idx＝10083.

［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.