超声波耦合海下探测器无线电能传输原理

Development of marine resources and undersea plate movement monitoring activities can not be separated from various detection or monitoring equipments. Added power to these equipments timely and conveniently is the key to ensure them long-term reliable operations. In this application, according to the seawater physical properties to transfer ultrasonic energy easily and to electromagnetic energy attenuated largely, quasi innovative study with ultrasonic coupling namely electro-acoustic - electric principle will be done, so as to supply the undersea detectors by means of contactless power transfer technology. Through the establishment of physical model and mathematical model for sound electric coupling system, the acoustic resonance anti-control technology, electroacoustic and sound electric efficient conversion technology, high frequency electric power conversion and long distance transmission technology will be investigated. The general rules will be explored between the transfer capacity, transfer efficiency, transfer distance ,acoustic environment and ultrasonic parameters, electrical parameters, sea water parameters. Thus, the key technologies of wireless power transfer undersea based on ultrasonic can be refined. Because the ultrasonic can pass through any material, so the research results of this application can also have proper guiding role to the situations of wireless power transfer for various monitors installed in sealed metal container or building body.

海洋资源开发和海底板块运动监测等活动离不开各种海下探测或监测设备。为这些设备及时便捷地补充电力是确保其长期可靠工作的关键。本申请根据海水易于传输超声波能量而对电磁能量衰减较大的物理性质，拟创新性地研究用超声波耦合即电-声-电原理，实现海下探测器的非导体接触式的无线电能传输技术。通过建立声电耦合的物理模型和数学模型，研究电声共振反控制技术；电声与声电高效换能技术；高频电能变换与长距离传输技术；探索传输能力、传输效率、传输距离以及电声环境与超声波参数、电气参数和海水参数的一般规律，从而凝练出海下超声波传输能量的关键问题。由于超声波几乎可以穿透任何物质，所以本申请的研究成果对金属密闭容器或建筑物体内各种监测器的无线电能传输同样具有指导作用。

海洋文明的发展越来越多地需要海下电气设备。安全便捷地为这些设备提供电力是十分必要的。在陆地上，人们可以使用电磁感应原理，采用非电气接触方式，为类似的小型电气设备提供电力。然而，由于海水的良好导电性能，交变的磁场必然会在海水中产生涡流，因而影响能量的传输。而超声波却易于在密度较大的介质中传输，例如海水和金属，与介质是否导电无关。本文就是基于这样的应用背景和技术背景，探索使用超声波在海水中为小型电气设备提供电力的原理，即用电-声-电的传输方式，实现海下非导体接触式供电。. 本课题研究了压电超声换能器电学阻抗匹配；对比研究了磁场耦合与超声耦合在海水中传输能量的特性；提出了耦合线圈和海水等效参数的优化辨识方法；分析了系统获得最大功率的理想条件；提出了利用单端口阻抗测量参数，测算系统稳态性能的方法；提出了系统稳态性能的可视化方法；扩展研究了穿越金属物质的非接触电能传输，从而为密闭金属容器提供电力；扩展研究了使用电磁超声换能器实现超声与磁场同时传输能量，一举两得。.重要结果：①采用1/4波长无损线设计阻抗匹配网络，但在实际实现时用集中参数的对称LC网络来等效代替，具有变换后的阻抗性质与负载功率无关的特点；② 如果发射回路阻抗虚部和接收回路阻抗虚部都是可变的，则传输最大功率的条件是阻抗的虚部之比等于实部之比；③并不是耦合越紧密传输功率越大，松耦合谐振才可以传输更大的功率；④使用一组单端口阻抗测量参数，间接测算出系统的主要稳态性能；⑤使用一张能够交互动作的平面图形，读测出系统的某些稳态性能及其变化趋势；⑥利用超声波能够为密闭金属容器内的用电器提供电力；⑦使用电磁超声换能器，同时将超声与磁场用于能量传输。.研究中发现，超声换能器是影响能量传输规模的关键，因此需要靠材料科学技术，提高换能器的性能。超声波对人身是安全的，因而超声波传输能量技术可用于医疗。在海下应用时，需要探索对海洋生态的影响，因为像海豚这类海洋动物靠超声波传递信息。. 声波是纵波，在研究超声波传输能量的过程中，自然产生了用电磁纵波传输能量的设想。虽然具有辐射性质的电磁波是横波，但麦克斯韦方程并不排除在某种条件下，存在电磁纵波的可能。初步命题是：激活空间和大地电场，在更开放的空间内自如地传输电能。