刚柔结构仿尾鳍压电双晶片无阀泵的实验研究

叶片的端 部产 生稳定 的气 流 。２ ０ ０ ８年 ， 巴西 学 者进
对 柔性 尾长 变化 时 压差 极 值 与 振 子振 型 的对 比 ， 揭
示 柔性 尾长 对泵 性 能 的影 响 规 律 ， 并 对 柔性 尾 鳍 压
电梁 和等截 面梁 的振 动 的不一致 性作 进一 步分 析 。
１ 摆 动 振 子 的 工作 原 理 及 结 构
考虑 到这 一点 。
值仿 真 。Ｈｕ等 通过 研究 真 实 鱼 体 的结 构 ， 发现 在 振子 的端部 配置 柔性尾 鳍 可大 幅度提 高仿 尾鳍振 子 的泵水 性能 ， 研 制 了压 电叠 堆 驱动 的仿 尾 鳍摆 动
比， 具有更易于微小型化、 效率高 、 流动脉动小、 无 回流 等 优 势 ， 而仿 尾 鳍 振 子 端 部 的 柔 性 尾 鳍 结 构 是 高 效 泵 水 的 关
键 部 件 。首 先 ， 通过 无 流量 的压 差 测 量 法 测 得 了柔 性 尾 长 在 ２ ～１ ８ ｍｍ 范 围 内 压 差 峰 值 随频 率 的 变 化 关 系 ； 其次， 利 用 激 光 多 普 勒 测 振 仪 测 得 了摆 动 振 子 在 水 中 的振 动 模 态 ， 与 压 差 实 验 结 果 进 行 了对 比分 析 ， 确 定 了 压 差 峰 值 与 振 子 振 型 的对 应 关 系 ； 最后， 通 过 对 振 子 的分 解 ， 讨 论 了 柔 性 尾 鳍 与 振 子 主 体 部 分 的耦 合 关 系 ， 解 释 了 最 佳 工 作 振
鱼 在水 中依 靠尾 鳍 的摆动 产生 的推力 而 向前游
动， 若 将鱼 的头 部 固定 ， 尾 鳍 的摆 动 必然推 动 着尾部
行 了利用 压 电双 晶片 的弯 曲振 动驱 动液体 研 究 ］ ， 并 尝试将 其应 用于 医用 Ｌ Ｅ Ｄ灯 的冷 却 ， 振 子端 部振
幅可达 ０ ．１ ５ ｍｍ， 泵 的 流量 为 １ ０ ０ ｍＬ ／ ａｉ ｒ ｎ 。
型 在 振 子 主 体 部 分 二 阶弯 振 附 近 波 动 的现 象 。结 果 表 明 ： 摆 动 振 子 工 作 在 近 似 无 限水 域 中 ， 前 ３阶 弯 振 均 可 测 得 压差 ； 柔性尾长为 ４ ｍｍ 和 ６ ｍｍ 时 ， 压 差 达 到最 大 值 ５ ５ ｍｍ； 不 同柔 性 尾 长 的 摆 动 振 子 取得 最 大 压 差 时 的 工 作 频
致 。胡 笑奇 等［ １ １ － １ ２ ］ 对 压 电双 晶片振 子 的末端 配置柔
性尾 鳍 ， 并研究 了柔 性尾鳍长度变 化对压 电叠 堆驱动 变截 面振子 的影 响 ， 发现泵 的性能 对柔性 尾鳍 的结构 较 为敏感 ， 且端部振 幅 的变化规律 与等截面梁 不同 。 将 鱼类 的运动形态 映射到机械结 构上 ， 则 表现为
两个 晶片 的收缩 和 伸 长形 成 压 电振 子 的 弯 曲振 动 ，
同样 可 以驱动 流体形 成单 向流 动 。具有 高速 巡游速
度 的鱼类 ， 其尾 部都 有 明显 的尾 柄结 构 ， 即尾 鳍和躯 干部有 明显 的结 合 部 分 ， 且 相 对 于躯 干 部 尾 鳍 的 质 量和厚 度 较小 ， 因此 在 做 鱼 尾 的仿 生 研 究 时 应 充分
第 ３ ５卷第 ３ 期
２ ０ １ ５年 ６月
振动 、 测 试 与 诊 断
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｖｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ＆ Ｄｉ ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ ｌ ｜ ３ ５ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ５
刚柔 结 构 仿 尾 鳍 压 电双 晶 片无 阀泵 的实 验研 究
胡 笑 奇 。 ， 方雅 敏 ， 张 蕊 华 ， 叶 晓平 ， 陈小元 ， 吕永 昌
（ １ ． 丽 水 学 院工 程 与设 计 学 院 丽水 ， ３ ２ ３ ０ ０ ０ ） （ ２ ． 南 京 航 空 航 天 大 学 机 械 结 构 力 学 与 控 制 国 家 重 点 实 验 室 南 京 ， ２ １ ０ ０ １ ６ ） 摘 要 利 用 结 构 的摆 动 振 动 驱 动 流 体 单 向流 动 ， 和传 统 的 利 用 结 构 的 不 对称 性形 成 泵 功 能 的无 阀 流 体 驱 动 原 理 相
率， 在无柔性尾鳍振子的二阶弯振模态频率附近波动。
关键 词 压 电双 晶 片 ； 尾鳍结构 ； 无 阀泵 ；弱耦 合
中 图分 类 号 ＴＨ３ ８
ห้องสมุดไป่ตู้
泵， 所 得结论 和文 献 ［ １ ０ ］ 对 柔 性 水 翼 的研 究 结 果 一
引 言
１ ９ ９ ３年 ， Ｓ ｔ ｅ ｍｅ 等口 提 出利 用 结 构 不 对称 性 形 成泵水 功 能 的流 阻 差 型无 阀泵 ， 解 决 了有 阀微 泵 的
结 构的振动模态 。笔者拟在 已有研究 的基础 上 ， 通过
泵 阀接触磨 损污 染 、 泵 阀跟 随性 差等 问题 ， 但 由于工 作原 理 的原 因 ， 该 类泵 流 动 脉 动 大 ， 回流现 象 严 重 ， 效率低 。利用结 构 的摆动 振动 驱动 流体能 够从 原理 上避 免 回流现象 ， 且结 构 简 单 ， 易 于微 小 型 化 ， 早 已 被研 究者 们所关 注 。Ｙｏ ｏ等＿ ２ ］ 对 不 同材料 的摆 动振 子进 行 了理论分 析 和实验 研究 。杨 兴等 利 用摆 动 驱动 的原 理 ， 设 计 了低功耗 、 体 积小 的压 电风扇 。千 学著 等 利 用压 电 陶瓷 片激 发 出高 阶谐 振 模 态 ， 在
周 围的流体 向着 相 反 于 鱼游 动 趋 势 的 方 向 流动 ， 如
图 １ 所 示 。根据 这 一 自然 现 象 ， 利 用 压 电振 子 上下
Ｈｕ ａ ｎ ｇ等 ＿ ７ ］ 对摆 动 振 子 与 流体 之 问 的 相 互 作 用 进
行 了流体 动力 学原 理 解 析 ， 推 导 了驱 动 频 率 和 泵 流 量 之 间 的关 系式 ， 进 行 了基 于 Ｆ Ｌ ＵＥ ＮＴ 软件 的数