本發(fā)明涉及空氣減阻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于功率超聲降低高速物體空氣阻力的方法及裝置。

背景技術(shù)：

對于高速運動的物體，其很大一部分動力主要用來克服空氣阻力。以超高速飛行器為例，其運動時的阻力幾乎全部來自空氣阻力。當(dāng)高速運動物體的速度達(dá)到音速級別時，前方急速沖來的空氣不能夠像平常一樣通過機身擴散開，于是氣體都堆積到了飛行體的周圍，產(chǎn)生極大的壓力，空氣阻力隨馬赫數(shù)的微小上升而急劇增大，影響其飛行速度，并增加其能耗。

目前降低高速飛行器空氣阻力的方法有被動減阻、逆向噴流減阻、邊界層控制減阻、能量沉積減阻、表面微結(jié)構(gòu)減阻等技術(shù)，但是這些減阻方法消耗能量過大、易導(dǎo)致局部過熱、或?qū)諝鉁p阻的效果不能滿足實際要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能耗低以及通用性強的基于功率超聲降低高速物體空氣阻力的方法及裝置，以解決高速物體因阻力影響其速率，并增加高速物體功耗的問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于功率超聲降低高速物體空氣阻力的方法，包括以下步驟：

s1、確定高速物體上受空氣阻力最大的位置，至少選取高速物體的殼體內(nèi)壁上與該位置對應(yīng)的位置作為安裝點；

s2、在所述安裝點安裝功率超聲換能裝置，所述功率超聲換能裝置的超聲波發(fā)射部緊貼在所述高速物體的殼體內(nèi)壁，并能夠向設(shè)定的方向發(fā)射超聲波，使所述高速物體的殼體產(chǎn)生振動。

進(jìn)一步地，所述高速物體為高速汽車、火車、高速動車組列車、飛機、火箭和導(dǎo)彈中的任一種。

本發(fā)明還提供了一種基于功率超聲降低高速物體空氣阻力的裝置，包括功率超聲換能裝置和超聲波電源，所述功率超聲換能裝置與所述超聲波電源電連接；

所述功率超聲換能裝置安裝在高速物體的殼體內(nèi)壁，且安裝位置與所述高速物體上受空氣阻力最大的點相對應(yīng)；

所述功率超聲換能裝置包括第一蓋板、第二蓋板、鎖緊螺栓和壓電陶瓷部，所述壓電陶瓷部設(shè)置在所述第一蓋板和所述第二蓋板之間，所述鎖緊螺栓穿過所述第一蓋板、壓電陶瓷部后與所述第二蓋板連接。

優(yōu)選地，所述壓電陶瓷部包括至少一個壓電陶瓷環(huán)，每個所述壓電陶瓷環(huán)的兩端分別設(shè)有金屬極板，且兩端的所述金屬極板分別作為該壓電陶瓷環(huán)的正極和負(fù)極。

另一個實施方式中，所述壓電陶瓷部包括偶數(shù)個壓電陶瓷環(huán)，相鄰的壓電陶瓷環(huán)的相鄰端共用一個金屬極板，作為兩個相鄰壓電陶瓷環(huán)共用電極。

優(yōu)選地，還包括超聲波變幅桿和超聲波工具頭，其中，所述超聲波變幅桿的一端與所述第二蓋板連接，另一端與所述超聲波工具頭連接。

優(yōu)選地，所述功率超聲換能裝置與所述超聲波電源之間設(shè)有阻抗匹配器。

優(yōu)選地，所述阻抗匹配器集成在所述超聲波電源上。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點：本發(fā)明提供的基于功率超聲降低高速物體空氣阻力的方法，通過在高速物體的殼體內(nèi)壁上且與高速物體受空氣阻力最大的位置相對應(yīng)的位置處安裝功率超聲換能裝置，所述功率超聲換能裝置的超聲波發(fā)射部緊貼在所述高速物體的殼體內(nèi)壁，并能夠向設(shè)定的方向發(fā)射超聲波，在運動時功率超聲換能裝置向運動物體的前方發(fā)射高能量超聲波，撕裂集中在物體前側(cè)的空氣層，降低空氣對高速物體的壓差阻力。同時使高速物體的殼體、以及與殼體接觸的空氣產(chǎn)生振動，降低高速物體與空氣接觸面的摩擦系數(shù)，將高速物體與空氣接觸面靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，大幅降低空氣的摩擦阻力?/p>

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一高速汽車安裝功率超聲換能裝置的示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例一高速汽車另一種安裝功率超聲換能裝置的示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例一功率超聲換能裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例二導(dǎo)彈安裝功率超聲換能裝置的的示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例二功率超聲換能裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1：高速物體；2：安裝點；3：壓電陶瓷部；31：壓電陶瓷環(huán)：32：金屬極板；4：第一蓋板；5：第二蓋板；6：鎖緊螺栓；7：超聲波變幅桿；8：超聲波工具頭。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

實施例一

本發(fā)明實施例提供的基于功率超聲降低高速物體空氣阻力的方法，包括如下步驟：

s1、確定高速物體上受空氣阻力最大的點，至少選取高速物體的殼體內(nèi)壁上與該點對應(yīng)的位置作為安裝點；

s2、在所述安裝點安裝功率超聲換能裝置，所述功率超聲換能裝置的超聲波發(fā)射裝置緊貼在所述高速物體的殼體內(nèi)壁，并能夠向設(shè)定的方向發(fā)射超聲波，使所述高速物體的殼體產(chǎn)生振動。

具體地，根據(jù)高速物體的形狀、體積和運動時的速度計算出高速物體上所探受空氣阻力最大的位置，以及高速物體上受阻力較大的區(qū)域，至少在高速物體的殼體內(nèi)壁上與受阻力最在的位置相對應(yīng)的位置作為功率超聲換能裝置的安裝點。在安裝時，要保證功率超聲裝置的超聲波發(fā)射部緊貼高速物體的殼體內(nèi)壁，功率超聲換能裝置的超聲波發(fā)生部向著調(diào)整物體前進(jìn)的方向發(fā)射頻率大于10khz超聲波，撕裂集中在物體前側(cè)的空氣層，降低空氣對高速物體的壓差阻力，同時使高速物體的殼體、以及與殼體接觸的空氣產(chǎn)生振動，降低高速物體與空氣接觸面的摩擦系數(shù)，將高速物體與空氣接觸面靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，大幅降低空氣的摩擦阻力?/p>

優(yōu)選地，在高速物體受阻力較大的區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個或多個功率超聲換能裝置，能進(jìn)一步減少高速物體所受空氣阻力。一般高速物體受空氣阻力最大的點及受阻力較大的區(qū)域均在高速物體的前端(運動時位于前方的一端)，功率超聲換能裝置向高速物體運動的前方發(fā)射超聲波。

本實施例中，功率超聲換能裝置的功率根據(jù)高速物體前端發(fā)生高頻振動所需能量進(jìn)行選擇。

進(jìn)一步地，在高速物體殼體內(nèi)壁的四周均設(shè)置功率超聲換能裝置，能夠進(jìn)一步地降低空氣對高速物體的壓差阻力和摩擦阻力。

具體地，功率超聲換能裝置能夠安裝在高速汽車、火車、高速動車組列車、飛機、火箭和導(dǎo)彈等高速物體上，在這些高速物體上設(shè)置功率超聲換能器，能夠簡單、方便地降低高速物體運動過程中的空氣阻力，且具有成本低、效果好、易實施的優(yōu)點。

基于上述方法，以高速汽車為例，即高速物體1為高速汽車，此時如圖1所示，為了降低空氣對汽車的阻力，至少在高速汽車前端的中部附近受空氣阻力較在的位置選取一個安裝點2，在該安裝點2安裝功率超聲換能裝置。

如圖3所示，功率超聲換能裝置包括第一蓋板4、第二蓋板5、鎖緊螺栓6和壓電陶瓷部3，其中，壓電陶瓷部3設(shè)置在第一蓋板4和第二蓋板5之間，鎖緊螺栓6穿過第一蓋板4和壓電陶瓷部3后與第二蓋板5連接，壓緊壓電陶瓷部3。

具體地，壓電陶瓷部3包括多個壓電陶瓷環(huán)31，相鄰的壓電陶瓷環(huán)31的相鄰端共用一個金屬極板32，作為壓電陶瓷環(huán)31的正級或負(fù)極。在最外側(cè)的壓電陶瓷環(huán)31的外端(與其它壓電陶瓷環(huán)31不相鄰的一端)單獨設(shè)置一個金屬極板32作為該壓電陶瓷環(huán)31的正極或負(fù)極。

優(yōu)選地，壓電陶瓷環(huán)31的數(shù)量為偶數(shù)個，如圖3所示，壓電陶瓷部3包括四個壓電陶瓷環(huán)31和五個金屬極板32，其中，最左側(cè)(以圖中所示方向)的壓電陶瓷環(huán)31的左端設(shè)置有一個金屬極板32，最右側(cè)(以圖中所示方向)的壓電陶瓷環(huán)31的右端設(shè)置有一個金屬極板32，其它三個金屬極板32分別為相鄰的壓電陶瓷環(huán)31共用。舉例來說，若最左側(cè)的金屬極板32為正極，則三個共用金屬極板32由左到右依次為負(fù)極、正極和負(fù)極，最右側(cè)的金屬極板32為正極，使壓電陶瓷部的兩端具有相同的電位。

在另一個實施方式中，壓電陶瓷部3包括一個或多個壓電陶瓷環(huán)31，每個壓電陶瓷環(huán)31的兩端分別設(shè)有金屬極板32，兩金屬極板32分別作為壓電陶瓷環(huán)31的正極和負(fù)極，每個壓電陶瓷環(huán)31和設(shè)置在該壓電陶瓷環(huán)31兩端的金屬極板32一起可以看作為一個壓電陶瓷單元，多個壓電陶瓷單元之間串聯(lián)。

進(jìn)一步地，用于為功率超聲換能裝置提供電力的超聲波電源(圖中未示出)與第一功率超聲換能裝置之間設(shè)有阻抗匹配器，能夠進(jìn)行諧振頻率與阻抗的匹配，有效降低了功率超聲換能裝置的發(fā)熱量，提高其使用壽命。優(yōu)選地，阻抗匹配器集成在超聲波電源上。

更具體地，超聲波電源包括整流電路、逆變電路、驅(qū)動電路、信號控制電路、匹配網(wǎng)絡(luò)、及相關(guān)保護電路，超聲波電源提供三相380v、50hz工頻交流電經(jīng)整流電路整流后產(chǎn)生直流輸出電壓，輸送至逆變電路，從而獲得功率足夠大的高頻交流電壓。信號控制電路產(chǎn)生一定頻率的控制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路，推動逆變電路中的開關(guān)器件正常工作。所述逆變電路輸出的高頻交流電壓通過匹配網(wǎng)絡(luò)可以高效率、最大功率地輸送至第一功率超聲換能裝置。

需要說明的是，超聲波電源可以設(shè)置在高速物體1的內(nèi)部，也可設(shè)置在指定位置，在此不做限定。

在另一種實施方式中，如圖2所示，在高速汽車殼體內(nèi)壁的四周均選取安裝點2，在每個安裝點2的位置處均設(shè)置功率超聲換能裝置，通過降低壓差阻力和摩擦阻力，進(jìn)而有效的降低汽車運動中所受空氣的阻力，提高高速物體的速度、降低油耗。

還需要說明的是，在火車、高速動車組列車等高速物體1也可以同樣設(shè)置功率超聲換能裝置，能夠有效降低火車、高速動車組列車等高速物體1在運動中所受空氣的阻力，提高高速物體的速度、降低油耗。

實施例二

如圖4所示，在導(dǎo)彈前端的殼體內(nèi)壁安裝功率超聲換能裝置。當(dāng)然同樣也可以在飛機、火箭等超高速運動物體上設(shè)置第二功率超聲換能裝置。

更優(yōu)選地，在導(dǎo)彈、飛機、火箭等超高速運動物體翼緣等迎風(fēng)處相對應(yīng)的殼體內(nèi)壁設(shè)置功率超聲換能裝置，有利于進(jìn)一步降低空氣阻力。

如圖5所示，該實施例中功率超聲換能裝置與實施例一中的功率超聲換能裝置基本相同，不同之外在于，在該功率超聲換能裝置還包括超聲波變幅桿7和超聲波工具頭8。具體地，超聲波變幅桿1的一端與第二蓋板5連接，另一端與超聲波工具頭8連接，功率超聲裝置最終通過超聲波工具頭8發(fā)射超聲波。

在運動過程中，功率超聲換能裝置向超高速物體的前方發(fā)射高能量超聲波，由于速度的疊加，可以在導(dǎo)彈、飛機、火箭等超高速運動物體的正前方形成穩(wěn)定的超聲波，撕裂前面的空氣層，降低激波的影響，大幅度降低空氣阻力。

需要說明的是，在導(dǎo)彈、飛機、火箭等超高速運動物體上也可以使用實施例一中的功率超聲換能裝置。

綜上所述，本發(fā)明提供的基于功率超聲降低高速物體空氣阻力的方法，通過在高速物體的殼體內(nèi)壁上且與高速物體受空氣阻力最大的位置相對應(yīng)的位置處安裝功率超聲換能裝置，所述功率超聲換能裝置的超聲波發(fā)射部緊貼在所述高速物體的殼體內(nèi)壁，并能夠向設(shè)定的方向發(fā)射超聲波，在運動時功率超聲換能裝置向運動物體的前方發(fā)射高能量超聲波，撕裂集中在物體前側(cè)的空氣層，降低空氣對高速物體的壓差阻力。同時使高速物體的殼體、以及與殼體接觸的空氣產(chǎn)生振動，降低高速物體與空氣接觸面的摩擦系數(shù)，將高速物體與空氣接觸面靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，大幅降低空氣的摩擦阻力?/p>

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。