Trasferimento di potenza wireless: misure con trasmettitore e ricevitore piezoelettrici ultrasonici

The growing need for wireless power transfer techniques has paved the way for new power transmission methods. In this context, alongside the more traditional inductive coupling, energy transmission via sound waves is of particular interest. Compared to other methods, wireless acoustic power transfer can be the optimal choice for applications requiring compact system dimensions, high energy transmission directivity, or where electromagnetic constraints are present. The test setup used in this thesis employs two piezoelectric transducers, enabling the reversible conversion between electrical and mechanical energy. The transducers are characterized using both the piezoelectric effect equations for the radial vibration mode and the mechanical resonator expressions; the Butterworth-Van Dyke (BVD) equivalent electrical circuit is also presented. BVD circuit parameters, along with the definitions of sound pressure level (SPL) and sensitivity, were used to analyze output voltage and power transfer to the receiver across various distances and frequencies. The model provided a good approximation of the experimental data. Power transmission exceeding 150 µW to a resistive load was achieved over a distance of 3.4 cm.

La necessità crescente di utilizzare tecniche di alimentazione wireless ha aperto la strada a nuove modalità per il trasferimento di potenza. In questo scenario, accanto al più tradizionale accoppiamento induttivo, è di interesse la trasmissione di energia attraverso onde sonore. Il trasferimento di potenza acustica wireless rispetto ad altri metodi può rappresentare la migliore alternativa in tutte quelle situazioni in cui sono richieste dimensioni ridotte del sistema, in cui è necessaria un’elevata direzionalità della trasmissione di energia e dove sono presenti vincoli elettromagnetici. La configurazione di prova usata in questa tesi vede l’utilizzo di due trasduttori piezoelettrici che consentono la conversione reversibile tra energia elettrica ed energia meccanica. Si procede con la loro caratterizzazione, sia attraverso le equazioni dell’effetto piezoelettrico per il modo vibrazionale radiale sia con le espressioni del risonatore meccanico, e si presenta il circuito elettrico equivalente di Butterworth-Van Dyke (BVD). Si sono utilizzati i parametri del circuito BVD e le definizioni di livello di pressione sonora (SPL) e sensibilità per studiare la tensione in uscita e il trasferimento di potenza al ricevitore, a diverse distanze e frequenze. Il modello ha rappresentato una buona approssimazione dei dati sperimentali. Si è ottenuta una trasmissione di potenza ad un carico resistivo che ha superato i 150 µW su una distanza di 3.4 cm.