(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010921144.6
(22)申请日 2020.09.04
(71)申请人 北京信息科技大学
地址 100101 北京市朝阳区北四环中路35
号
(72)发明人 秦雷 仲超 王丽坤
(74)专利代理机构 北京君尚知识产权代理有限
公司 11200
代理人 邱晓锋
(51)Int.Cl.
H02J 7/32(2006.01)
H02J 50/15(2016.01)
(54)发明名称一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置(57)摘要本发明涉及一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置。该方法在水面以下10m以内，采用UUV与母船伴航方式为UUV充电；在水面以下10m到100m的范围内，采用母船直接向水下传感器节点发射声波的方式充电；在水面以下超过100m的范围内，利用潜入海底的UUV为海底的水下传感器节点提供原位近距离充电。 发射换能器通过逆压电效应实现电能到声能的转换；水听器接收所述所述发射换能器发射的声波，通过压电效应将声能转化为电能，并通过匹配电路实现对负载的充电。本发明应用高频水声发射换能器及高灵敏度水听器构成水下无线充电装置，针对水下不同应用场景设计了三种无线充电方式， 可以满足全海深工况下的无线充电。权利要求书1页 说明书5页 附图5页CN 112152308 A 2020.12.29
C N 112152308
A
1.一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
在水面以下10m以内，采用水下无人航行器UUV与母船伴航方式为UUV充电，母船中设置发射换能器，UUV中设置水听器；
在水面以下10m到100m的范围内，采用母船直接向水下传感器节点发射声波的方式充电，母船中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器；
在水面以下超过100m的范围内，利用潜入海底的UUV为海底的水下传感器节点提供原位近距离充电，UUV中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器。
2.一种适用于权利要求1所述方法的水下无线充电装置，其特征在于，包括发射换能器和水听器；所述发射换能器通过逆压电效应实现电能到声能的转换，并通过水介质辐射声波；所述水听器接收所述所述发射换能器发射的声波，通过压电效应将声能转化为电能，并通过匹配电路实现对负载的充电。
3.根据权利要求2所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述发射换能器为具有波束开角窄特点的发射换能器。
4.根据权利要求3所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述发射水声换能器包括压电复合材料、电极、匹配层、散热结构、吸声背衬；所述压电复合材料为1-1-3型压电复合材料，由压电相、被动相以及结构相构成，压电相为压电材料柱阵列，结构相为位于压电材料柱之间的刚性材料框架，被动相为位于压电相和结构相之间的柔性聚合物；所述压电复合材料在厚度方向的两个表面覆盖所述电极；所述匹配层位于所述压电复合材料的一侧，所述散热结构和所述吸声背衬位于所述压电复合材料的另一侧；所述散热结构为与所述压电复合材料中的结构相相同的刚性材料框架；所述吸声背衬分布于所述散热结构中。
5.根据权利要求4所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述散热结构与所述压电复合材料中的结构相彼此精密匹配以实现热量的良好传递。
6.根据权利要求4所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述发射水声换能器还包括外壳以及电缆；所
述外壳为金属外壳，所述散热结构与所述金属外壳紧密连接以实现热量的良好传递；所述电缆连接所述电极上的引线。
7.根据权利要求4所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述压电相为低损耗的压电陶瓷或压电晶体；所述被动相为耐高温柔性聚合物；所述结构相为选用具有良好散热性能的材料通过机加工的方式制备成的网格结构。
8.根据权利要求7所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述被动相是聚亚苯基、聚对二甲苯、聚芳醚、聚芳酯、芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、硅橡胶中的一种。
9.根据权利要求7所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述结构相的材料为碳纤维复合材料或低密度金属材料。
10.根据权利要求4所述的水下无线充电装置，其特征在于，所述匹配层为梯形匹配层，所述梯形匹配层的每一个梯形的下底面与所述压电复合材料中压电材料柱的上表面相对。
权 利 要 求 书1/1页CN 112152308 A
一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置
技术领域
[0001]本发明属于水下无线充电技术、水声换能器技术领域，具体涉及一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置。
背景技术
[0002]当前，随着海洋开发的力度不断加大，各种水声探测装备层出不穷，先后出现了各种水下无人航行器(Unmanned Undersea Vehicle，简称UUV)以实现科学研究、工程应用、军事应用等不同功能，以及各类水下传感器网络节点(如水下潜标、浮标)等。这些设备的电能供给一直是限制其应用范围的一大瓶颈。目前主要采用以下几种方式：一.电缆供电的方式。其特点是电能供给量较大，缺点是离岸距离受到布缆的限制，水下探测设备无法远距离、多点式分布。二.内置蓄电池及外挂蓄电池的方式。其尺寸、重量都较大，由于水密限制只适合浅海使用，且外置结构会影响UUV水下动力学性能。三.打捞上来替换蓄电池或出水充电的方式。这种方式对人工要求较高，耗时费力。四.水下自供电方式。如通过振动能量收集、水下化学能量收集等方式获得能量，其特点是摆脱了长距离电缆的限制，可以适应各种距离，但是所获得的能量较小，通常为毫瓦量级。此外海浪能量收集系统，其能量级别可达千瓦级，但是能量收集器尺寸、耗资巨大，不适合为小型传感器提供电能供给。
[0003]近年来，水下电能无线传输技术受到全世界的广泛关注。这种充电方式摆脱了冗长电线的束缚，并能实现独立封装，提高了可靠性、可移动性以及隐蔽性。目前，水下无线电能传输技术主要有电磁式
和超声式两种方式，分别通过电磁场和声波作为媒介传递能量。我们知道，海水导电性好，电导率大，因此高频交变磁场会在海水中产生电涡流损耗，影响传输效率。此外，这种通过电磁场传输能量的方式对于作用距离有较大的限制，通常充电要保持在毫米量级内，因此，水下充电过程中要首先保证充电器和受电器的精确对接，即耗时成本又高。对于小尺寸的水下传感器网络节点其可操作性较差，这种方式只适用于水下大型固定充电站对大型UUV等设备进行百瓦至千瓦级大功率充电。而声能供电方式在保证充电效率的情况下，既无水下接口又可实现远距离充电，无需精确定位等复杂操作，是潜在的为小型UUV、水下传感器网络节点无线供电的最优解决方案。
[0004]水下声波无线充电最大的优点是水下传输距离远。与电磁感应式相比，该方式不对外界产生电磁干扰，也不受电磁干扰的影响，而且其波长远小于电磁波，传输方向性好，能量更易集中。目前的研究现状显示在6cm距离上可实现水下声波无线充电，这揭示了声波无线充电具有可行性，但是传输功率小、作用距离近，尚有较多技术难点需要攻克。
发明内容
[0005]本发明针对上述问题，提供一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置。
[0006]本发明采用的技术方案如下：
[0007]一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法，包括以下步骤：
[0008]在水面以下10m以内，采用水下无人航行器UUV与母船伴航方式为UUV充电，母船中设置发射换能器，UUV中设置水听器；
[0009]在水面以下10m到100m的范围内，采用母船直接向水下传感器节点发射声波的方式充电，母船中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器；
[0010]在水面以下超过100m的范围内，利用潜入海底的UUV为海底的水下传感器节点提供原位近距离充电，UUV中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器。
[0011]一种适用于上述方法的水下无线充电装置，包括发射换能器和水听器；所述发射换能器通过逆压电效应实现电能到声能的转换，并通过水介质辐射声波；所述水听器接收所述所述发射换能器发射的声波，通过压电效应将声能转化为电能，并通过匹配电路实现对负载的充电。
[0012]进一步地，所述发射换能器为具有波束开角窄特点的发射换能器。
[0013]进一步地，所述发射水声换能器包括压电复合材料、电极、匹配层、散热结构、吸声背衬；所述压电复合材料为1-1-3型压电复合材料，由压电相、被动相以及结构相构成，压电相为压电材料柱阵列，结构相为位于压电材料柱之间的刚性材料框架，被动相为位于压电相和结构相之间的柔性聚合物；所述压电复合材料在厚度方向的两个表面覆盖所述电极；所述匹配层位于所述压电复合材料的一侧，所述散
热结构和所述吸声背衬位于所述压电复合材料的另一侧；所述散热结构为与所述压电复合材料中的结构相相同的刚性材料框架；所述吸声背衬分布于所述散热结构中。
[0014]进一步地，所述散热结构与所述压电复合材料中的结构相彼此精密匹配以实现热量的良好传递。
[0015]进一步地，所述发射水声换能器还包括外壳以及电缆；所述外壳为金属外壳，所述散热结构与所述金属外壳紧密连接以实现热量的良好传递；所述电缆连接所述电极上的引线。
[0016]进一步地，所述压电相为低损耗的压电陶瓷或压电晶体；所述被动相为耐高温柔性聚合物；所述结构相为选用具有良好散热性能的材料通过机加工的方式制备成的网格结构。
[0017]进一步地，所述被动相是聚亚苯基、聚对二甲苯、聚芳醚、聚芳酯、芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、硅橡胶中的一种。
[0018]进一步地，所述结构相的材料为碳纤维复合材料或低密度金属材料。
[0019]进一步地，所述匹配层为梯形匹配层，所述梯形匹配层的每一个梯形的下底面与所述压电复合材料中压电材料柱的上表面相对。
[0020]本发明的有益效果如下：
[0021]本发明首次提出应用高频水声发射换能器及高灵敏度水听器构成水下无线充电装置，并针对水下不同应用场景设计了三种无线充电方式，可以满足全海深工况下的无线充电。本发明首次对基于声波的水下无线充电过程进行能量传递机理分析，以指导充电装置设计。
附图说明
[0022]图1是水下声波无线充电装置三种工作模式示意图。
[0023]图2是水下声波无线充电装置原理图。
[0024]图3是水下声波无线充电装置能量传递过程分析示意图。
[0025]图4是大功率、定向水声发射换能器结构示意图。
[0026]图5是1-1-3型复合材料结构示意图。其中(a)是立体图，(b)是俯视图。
[0027]图6是发射换能器近场声辐射特性示意图。
[0028]图7是定向水声发射换能器水下声性能曲线图，其中(a)是样品A发射电压响应曲线，(b)是样品B发射电压响应曲线，(c)是样品A、B声源级曲线，(d)是样品A、B指向性曲线。
具体实施方式
[0029]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
[0030]本发明依据不同的水下应用，设计了如图1所示三种基于声波的水下无线充电方式：(a)图为第一种，适用于水面以下10m以内，该方式采用水下无人航行器UUV与母船伴航方式为UUV充电，母船中设置发射换能器，UUV中设置水听器。由于此距离内声波开角较小，声波能量较为聚集，因此可以实现大功率充电。(b)图为第二种，适用于水面以下10m到100m 距离之内，采用母船直接向海底的水下传感器节点发射声波充电，母船中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器。由于声波在水中传播距离较远，声波产生一定的发散效应，因此适合于给散布在一定水域的低功耗水下无线传感器网络节点同时充电。(c)图为第三种，适用于水面以下超过100m的范围，该方式应用UUV潜入海底，UUV中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器，在10m范围内为海底无线传感网络节点提供原位近距离充电。通过上述三种方式，可以实现全海深范围内的无线充电。
[0031]为达到上述目的，本发明的水下声波无线充电装置如图2所示，包括水声发射换能器和水听器，通过发射换能器的逆压电效应实现电能到声能的转换，然后通过水介质辐射声波，在此过程中会产生传播损耗和扩散损耗，当声波抵达水听器后通过压电效应，将声能转化为电能，然后通过匹配电路实现对负
载充电。图2中+V input、-V input表示输入电信号的正负极产生的电压，+V output、-V output表示输出电信号的正负极产生的电压。
[0032]在上述充电过程中将会产生如图3所示的能量传递。发射换能器上输入的一部分电能通过逆压电效应转化为机械能存储于压电材料中，另一部分电能给压电材料中的静态电容充电，转化为电能存储起来。可通过连接在正负极之间的电感与压电材料中的静态电容构成振荡电路，从而将电能进一步转化为机械能。还有一部分电能将转化为热量。这些机械能将通过匹配层传递到水介质中，变成声能。此后声波在水中传播，经历散射损失和传输损失。最后，声波传递到水听器表面，根据压电效应转化为电能。最后，接收到的电能还要通过匹配电路转化为充电电能，完成充电过程。
[0033]在水下声波无线充电装置中，如图3所示，发射换能器上输入的一部分电能通过压电效应转化为机械能存储于压电材料中，另一部分电能给压电材料中的静态电容充电，转化为电能。再通过连接在正负极之间的电感而传递给压电材料产生机械能。最终转化的机械能约为输入电能的95-98％，另外2-5％将转化为热量。这些机械能将通过匹配层传递给水介质，在最优匹配情况下，振动能量可达到100％传递。此后声波将在水中传播，此过程中的能量损耗，主要包括散射损失和传输损失。传输损失与声波频率及传输距离有关。声波频
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