超聲波無(wú)線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用與研究進(jìn)展

劉 暢，芮小博，康 金，楊 飛，李宏陽(yáng)，張思睿

(1．承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校 電氣與電子系，河北 承德 067000；2．天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

無(wú)線能量傳輸(Wireless Power Transmission)技術(shù)，又稱非接觸式能量傳輸(Contactless Energy Transfer)技術(shù)，是一種擺脫了有形的導(dǎo)體連接，利用空氣、液體等介質(zhì)作為媒介傳輸能量的一種技術(shù)。1890年，美國(guó)科學(xué)家尼古拉·特斯拉就提出了用無(wú)線電波傳輸能量的想法，特斯拉利用磁感應(yīng)成功點(diǎn)亮了一只燈泡[1-2]，首次證明了無(wú)線能量傳輸?shù)目尚行?。特斯拉還對(duì)未來(lái)做出設(shè)想，希望設(shè)計(jì)出巨大的鐵塔輻射能量，以供給人類(lèi)消耗[3]。在隨后的五十年，日本與美國(guó)的科學(xué)家對(duì)該技術(shù)做了一些初步的研究，但進(jìn)展緩慢[4-5]。直到20世紀(jì)80年代，無(wú)線能量傳輸技術(shù)才開(kāi)始新的發(fā)展[6]。近十年，由于低功率電子設(shè)備的不斷出現(xiàn)，無(wú)線能量傳輸技術(shù)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注[7]。無(wú)線能量傳輸技術(shù)可以在部分場(chǎng)合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電池供電或電線供電方法，使設(shè)備密封性更強(qiáng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。另一方面，因?yàn)樵O(shè)備的“無(wú)線”化，使得設(shè)備的使用與移動(dòng)更加靈活，還適用于某些不方便直接供電的場(chǎng)合，比如動(dòng)物體內(nèi)、野外環(huán)境、密閉容器等，大大改善了傳統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用條件[8-9]。無(wú)線能量傳輸技術(shù)是當(dāng)前工程科學(xué)中的熱點(diǎn)研究方向之一，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索的一個(gè)多學(xué)科強(qiáng)交叉的新的研究領(lǐng)域。從廣義上來(lái)說(shuō)，主流技術(shù)有電磁感應(yīng)式、電磁諧振式、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射式及聲音振動(dòng)式等[10]。

本文側(cè)重于一種利用聲音振動(dòng)進(jìn)行無(wú)線能量傳輸?shù)姆椒ǎ蚱淅玫念l段一般在超聲波段，故本文將其稱為超聲無(wú)線能量傳輸方法。該傳輸方法無(wú)需電磁場(chǎng)環(huán)境，適用介質(zhì)廣泛，具有極高的安全性，最近得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文將詳細(xì)論述基于超聲波的無(wú)線能量傳輸方法，從傳輸機(jī)理、應(yīng)用介質(zhì)及場(chǎng)合介紹國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并對(duì)該技術(shù)目前研究的熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述。

1 超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)概要

將振動(dòng)能與電能聯(lián)系到一起的是壓電效應(yīng)，由法國(guó)的居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)[11]，該效應(yīng)是指某些電介質(zhì)受到外力時(shí)，會(huì)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。隨后在1881年他們又發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)[12]，正、逆壓電效應(yīng)是聲學(xué)發(fā)展史上的重大發(fā)現(xiàn)，大大加速了聲學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的發(fā)展。

1.1 超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)原理

超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)是一種較為新穎的方法，約有30年的發(fā)展歷史，其最基礎(chǔ)的一種應(yīng)用方法如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，發(fā)射單元、接收單元與傳輸介質(zhì)。工作時(shí)驅(qū)動(dòng)器以交流電壓驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器[13]，在介質(zhì)中激發(fā)振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)傳播至接收單元后，接收換能器將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為兩電極的電勢(shì)差，經(jīng)整流穩(wěn)壓獲得穩(wěn)定的電壓以供給負(fù)載使用或給儲(chǔ)能元件充電。超聲無(wú)線能量傳輸?shù)慕橘|(zhì)可以是金屬、空氣、液體，甚至是生物組織[14]。

1.2 與環(huán)境能量收集的關(guān)系

隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，目前電子元件的功耗越來(lái)越低，出現(xiàn)了收集環(huán)境能量為其供電的解決方案，其中用聲音及振動(dòng)進(jìn)行能量收集是研究熱點(diǎn)之一。

對(duì)于工程中的固體材料，可以用磁電式、靜電式或壓電式換能器將介質(zhì)中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，其中壓電式最受重視，類(lèi)似于超聲無(wú)線能量傳輸?shù)慕邮諉卧?。?duì)于空氣環(huán)境，可以用亥姆赫茲共振腔進(jìn)行能量收集[15]。對(duì)于人體環(huán)境，目前有使用壓電效應(yīng)收集心臟跳動(dòng)能量和肌肉收縮能量的研究報(bào)道[16-17]。

現(xiàn)有的振動(dòng)能量收集技術(shù)已經(jīng)可以看出其應(yīng)用潛力，且可減少環(huán)境中的振動(dòng)與噪音，但從能量的角度來(lái)看，還難以完全滿足實(shí)際需要。該技術(shù)受限于環(huán)境條件，一方面振動(dòng)能量來(lái)源不穩(wěn)定，另一方面結(jié)構(gòu)振動(dòng)的來(lái)源較復(fù)雜，其振動(dòng)特征頻帶較寬且不確定，直接限制了俘能器的最大接收效率。

上述提到的振動(dòng)環(huán)境能量收集方法，都可使用超聲能量無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行能量補(bǔ)充。

1.3 超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在無(wú)線能量傳輸?shù)拇蠹彝ブ?，超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)是研究歷史較短、成果較少的一個(gè)分支，但已經(jīng)體現(xiàn)出了一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)利用聲音振動(dòng)作為能量傳輸?shù)妮d體，最大的特點(diǎn)在于安全性，因?yàn)槌暦椒ū苊饬穗姶艌?chǎng)的運(yùn)用，對(duì)于有隔磁要求的場(chǎng)合及人體使用有很明顯的優(yōu)勢(shì)。超聲方法可以在金屬介質(zhì)中使用，避免了電磁方法中金屬材料的電磁場(chǎng)限制及渦流效應(yīng)，因此該方法尤其適合于在金屬材質(zhì)的密閉容器內(nèi)部進(jìn)行供電。由于超聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電磁波，其換能器尺寸更小，同時(shí)壓電陶瓷等換能器件的生產(chǎn)技術(shù)成熟、成本低、便于布置，故超聲無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)也普遍比其他方法的要小巧靈活。

與環(huán)境能量收集方法相比，無(wú)線能量傳輸可以激發(fā)窄帶信號(hào)并設(shè)定在換能器的諧振頻率下工作，大大提高了能量獲取的效率。該方法不必使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的寬頻帶俘能器，并且能量傳輸可定量控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

2 超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

2.1 醫(yī)學(xué)中的超聲無(wú)線能量傳輸

醫(yī)學(xué)是超聲無(wú)線能量傳輸方法應(yīng)用比較廣泛與成熟的領(lǐng)域，傳輸介質(zhì)以液體、凝膠與生物組織為主，大部分應(yīng)用場(chǎng)景是為體內(nèi)的植入式器件供電，可解決器件充電困難、重復(fù)手術(shù)進(jìn)行電池更換的難題[18-19]。

首次提出超聲無(wú)線能量傳輸方法是在1985年，Cochran等人嘗試在骨骼上放置PZT-5材料的壓電片，利用電刺激促進(jìn)骨骼修復(fù)，傳輸系統(tǒng)如圖2所示[20]。在壓電陶瓷片的諧振頻率2.25 MHz下，通過(guò)外部激發(fā)超聲波，可以達(dá)到600 mV、100 μA的輸出。上述研究開(kāi)啟了超聲無(wú)線能量傳輸?shù)钠?，?shí)驗(yàn)利用衰減系數(shù)更大的PVC凝膠模擬生物組織，進(jìn)一步體現(xiàn)了該方法的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在超聲波傳播過(guò)程中，不同位置的能量分布不同，當(dāng)有反射波時(shí)還可能形成駐波，其在波峰處振動(dòng)最強(qiáng)，有科研人員專(zhuān)門(mén)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。Arra利用PZT晶片在液體環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[21]，他著重考量了反射形成的駐波對(duì)于接受效率的影響，在5 mm～105 mm的距離上可以做到21%～35%的傳播效率，隨著距離的變化，傳播效率呈周期性變化。該研究為植入式器件超聲波無(wú)線供電技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的頻率選擇與擺放位置提供了參考依據(jù)。

對(duì)于體內(nèi)植入設(shè)備的供電，最重要的是安全性及生物相容性，目前已經(jīng)有了幾種針對(duì)體內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的器件樣機(jī)。2011年，Maleki設(shè)計(jì)了一種基于超聲波供電的體內(nèi)微型氧氣發(fā)生器[22],如圖3所示，該系統(tǒng)激發(fā)幅值50 Vpp、頻率2.3 MHz，在體內(nèi)40 cm的距離上可得到6 V、20 μA的輸出，值得一提的是，他生產(chǎn)的器件尺寸只有1.2×1.3×8 mm3。2017年，Guida團(tuán)隊(duì)在人體上肢模型上安裝了兩個(gè)相同的換能器[23]，以700 kHz的工作頻率實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器供電。該裝置能夠在3.5分鐘內(nèi)給0.22 F超級(jí)電容器提供足夠的功率。

此外，一些科研人員針對(duì)新型壓電材料及換能器開(kāi)展應(yīng)用研究。Leadbetter 應(yīng)用PMN-PT以壓電復(fù)合形式制作換能器為助聽(tīng)器供電[24]，PMN-PT材料的壓電耦合系數(shù)比普通壓電陶瓷高60%，同時(shí)由于帶寬更大，能夠得到更高的能量輸出，該團(tuán)隊(duì)最終得到了45%的能量傳輸效率。2019年，南京郵電大學(xué)周波等人[25]用比鋯鈦酸鉛PZT壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)更高的弛豫鐵電單晶制作植入式醫(yī)療設(shè)備供電系統(tǒng)，其介電損耗因子僅為普通PZT陶瓷的三分之一。

2.2 金屬材料中的超聲無(wú)線能量傳輸

除了在醫(yī)學(xué)上的發(fā)展，超聲波無(wú)線能量傳輸技術(shù)在金屬材料中也有廣泛的應(yīng)用，發(fā)展歷史20余年。由于金屬和壓電陶瓷材料的聲阻抗量級(jí)接近，因此對(duì)于超聲方法來(lái)說(shuō)，金屬介質(zhì)比空氣和生物組織更容易使其獲得較高的傳輸效率。目前，該傳輸方式主要應(yīng)用于壓力容器、真空室、管道、飛機(jī)機(jī)翼以及核廢料容器，在這些環(huán)境中，金屬材料無(wú)法打孔且布線困難，非常適合于使用超聲波進(jìn)行能量傳輸。下面針對(duì)穿墻體波與平板導(dǎo)波兩種形式進(jìn)行介紹。

穿墻體波式是一種發(fā)射換能器與接收換能器位置相對(duì)，聲波以體波形式進(jìn)行傳播的方法。該方法的系統(tǒng)搭建較為簡(jiǎn)單，但在聲波傳輸過(guò)程中能量衰減速度較快，主要應(yīng)用于密閉容器中。最早提出穿墻體波式超聲能量傳輸方法的是美國(guó)學(xué)者Connor[26]，其后此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速。2008年，德國(guó)慕尼黑歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)創(chuàng)新中心Kluge和德國(guó)薩爾大學(xué)Ngo聯(lián)合設(shè)計(jì)了適用于壓力容器的電力和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[27]，作者在文章中闡述了自主設(shè)計(jì)的發(fā)送和接收電路實(shí)現(xiàn)方法，其使用的壓電換能器直徑約為8 mm，可透射7 mm厚鋁壁。該系統(tǒng)的傳輸功率為30 mW、效率為80%，并且在3MHz載波頻率下的數(shù)據(jù)傳輸速率為1 kbps。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Neasham和Graham在2009—2011年設(shè)計(jì)了一種穿墻體波式裝置[28]，旨在通過(guò)船舶的鋼質(zhì)板壁傳輸能量和數(shù)據(jù)，該裝置使用電磁換能器(線圈)在80 mm厚的壁中產(chǎn)生和接收超聲波，但其傳輸效率相對(duì)較低(6%)，數(shù)據(jù)傳輸速度為2 kbps。2021年，楊志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可穿透金屬鈦的超聲波無(wú)線供電系統(tǒng)[29]，其平均充電功率可達(dá)330 mW，性能穩(wěn)定。

平板導(dǎo)波，究其本質(zhì)是一種在厚度與激勵(lì)聲波波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)相同的聲波導(dǎo)(如金屬薄板)中傳播，由縱波和橫波合成的特殊形式應(yīng)力波，通常也稱“板波”。由于板波在傳播過(guò)程中能量的損失要比體波小很多，因此具有作為能量傳播載體的潛力。然而，利用平板導(dǎo)波進(jìn)行無(wú)線能量傳輸?shù)墓ぷ黪r有報(bào)道，僅英國(guó)Cardiff大學(xué)有所涉及[30]。該團(tuán)隊(duì)研究了民航機(jī)翼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)供電的方法，但發(fā)現(xiàn)只有在飛機(jī)起飛與降落時(shí)才能獲取足夠的振動(dòng)能量。為了解決該問(wèn)題，Aleksander Kural博士設(shè)計(jì)了一種基于平面導(dǎo)波的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)[31]。Kural對(duì)幾種不同的商用壓電器件做了性能測(cè)試與對(duì)比，利用電感補(bǔ)償方法提高發(fā)射換能器與接收換能器效率。通過(guò)LISA軟件對(duì)板波的傳播進(jìn)行了仿真并利用一維多普勒激光測(cè)振儀觀察了Lamb波的傳播情況。該系統(tǒng)針對(duì)簡(jiǎn)單鋁合金平板，可以在54 cm的距離下，以20V的驅(qū)動(dòng)電壓、224 kHz的驅(qū)動(dòng)頻率，獲得17 mW的連續(xù)功率。但Cardiff大學(xué)的工作僅針對(duì)于簡(jiǎn)單平板，無(wú)法應(yīng)用于加筋的復(fù)雜艙壁環(huán)境中。如何設(shè)計(jì)出適用于在軌航天器使用的能量傳輸裝置，并達(dá)到更高的傳輸效率、更遠(yuǎn)的傳輸距離是后續(xù)研究的難點(diǎn)。

2.3 空氣中的超聲無(wú)線能量傳輸

空氣介質(zhì)中的無(wú)線能量傳輸技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注，該應(yīng)用最貼近民眾生活。然而，換能器阻抗與空氣聲阻抗嚴(yán)重不匹配，需多次氣固耦合才可進(jìn)行超聲傳輸，導(dǎo)致能量衰減嚴(yán)重，故空氣中的超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)未能取得突破性進(jìn)展。

Ishiyama在2003年第一次實(shí)質(zhì)性提出了空氣中超聲無(wú)線能量傳輸?shù)姆椒╗32]，他使用喇叭形塑料收聲器提高換能器獲取的能量密度，在30 cm的距離得到了0.8 mW的功率。

2011年，Rose利用該方法建立了超聲無(wú)線能量供電系統(tǒng)[33]，他考慮了能量的傳輸衰減與換能器的尺寸，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，通過(guò)仿真計(jì)算可以達(dá)到最高53%的傳播效率。不過(guò)，受限于換能器材料的性能，Rose在實(shí)驗(yàn)中只得到了37 mW的功率和16%的傳播效率。但作者也指出，該測(cè)試并非在最優(yōu)條件下進(jìn)行，僅有指示性作用。

Zaid在2014年[34]和2016年[35]繼續(xù)對(duì)空氣介質(zhì)進(jìn)行研究，使用了推挽式功率變換器，并在40 kHz頻率下得到1.0 mW傳輸功率，39.68 kHz頻率下得到4.2 mW傳輸功率，在一定程度上推動(dòng)了空氣介質(zhì)中無(wú)線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展。

3 結(jié)論

本文以電池、電線等傳統(tǒng)供電方法無(wú)法滿足的特殊供電需求為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)無(wú)線能量傳輸技術(shù)進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，并主要介紹了超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，包括其技術(shù)原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)等，同時(shí)從醫(yī)學(xué)(液體、凝膠、生物組織)、金屬材料以及空氣等三方面介紹其應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

眾多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者及機(jī)構(gòu)在超聲無(wú)線能量傳輸領(lǐng)域進(jìn)行研究工作，在超聲波傳播效率特性分析、超聲無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)構(gòu)建、新型超聲式能量傳輸方法、混合式換能器研制等多方面開(kāi)展研究，取得了大量研究成果。但是面對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，超聲無(wú)線能量傳輸技術(shù)仍處于發(fā)展初期，還面臨諸多挑戰(zhàn)，需要在今后著重研究以下幾個(gè)方面：

1)超聲波轉(zhuǎn)化效率提升研究，需要進(jìn)一步分析影響能量損耗的相關(guān)因素；

2)不同介質(zhì)尤其是生物內(nèi)部聲場(chǎng)分布研究，建立超聲波在人體組織內(nèi)的傳輸模型；

3)與空氣聲阻抗高匹配性換能器材料研究，設(shè)計(jì)能量輸出更穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)的換能器；

4)復(fù)雜艙壁條件下遠(yuǎn)距離超聲能量傳播研究，如在軌航天器使用的能量傳輸裝置；

5)高可靠性、安全性、小尺寸、系統(tǒng)化超聲無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)研究。

綜上所述，基于超聲波的高精度、遠(yuǎn)距離、高匹配度、芯片化、多介質(zhì)傳輸系統(tǒng)是今后無(wú)線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展方向，目前的研究成果還不能滿足無(wú)線能量傳輸領(lǐng)域的復(fù)雜應(yīng)用需求，仍然要在以上方面進(jìn)行更加深入的研究與探索。