[发明专利]一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置

权利要求书

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；

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；

所述发射换能器为具有波束开角窄特点的发射换能器；

所述发射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。

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；

所述发射换能器为具有波束开角窄特点的发射换能器；

所述发射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。

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。

4.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。

5.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。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求5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。

8.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。