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高频宽带压电复合材料换能器研究

张凯  
【摘要】:21世纪是人类走向海洋的世纪,我国要跻身于强国之林,对海洋的探索任重而道远,声纳研究日益凸显了其重要性与紧迫性。作为高分辨率声纳的核心组件,高频宽带发射换能器领域的研究更是具有重要意义。 宽带换能器在信号传输方面具有显著优势,如可以减少波形畸变、提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。但对于主要应用于高分辨率、短距离声纳系统中的高频发射换能器来说,实现宽带发射具有一定难度。因为换能器的机械尺寸通常与其共振频率成反比(即换能器共振频率越高时,其机械尺寸越小),这样就很难将中低频换能器拓展带宽的方法应用于高频换能器。 1-3型压电复合材料换能器作为一种典型的高频发射换能器,其带宽的拓展是目前亟待解决的问题。1-3型压电复合材料换能器工作在厚度振动模态时本身带宽不宽,给实际应用造成诸多不便。现有解决方法,通常是通过添加匹配层来拓展其带宽。然而,随着时间推移,匹配层的性能会产生变化,从而导致换能器性能的不稳定。鉴于此,为克服高频匹配层换能器的局限性,本文主要着眼于利用多模态耦合的方法,进行高频宽带压电复合材料换能器的研究。 首先,基于1-3型压电复合材料二维周期性的特点,针对整个1-3型压电复合材料换能器有限元模型的运算时间较长的缺陷,通过分析1-3型压电复合材料一个周期的性能推出整个1-3型压电复合材料宽带换能器的性能。同时,提出了利用周期模型来仿真分析1-3型压电复合材料宽带换能器水中响应特性的方法。 其次,本文提出两种1-3型压电复合材料换能器实现宽带发射的方法:横向模1-3型压电复合材料宽带换能器和单端激励1-1-3型压电复合材料宽带换能器。 横向模1-3型压电复合材料宽带换能器,是利用厚度振动模态和横向模态的耦合来拓展复合材料换能器的带宽。在研究1-3型压电复合材料振动模态以及压电相体积百分数和压电小柱宽高比对复合材料性能影响的基础上,提出两种拓宽1-3型压电复合材料换能器带宽的方法:一种是双峰耦合换能器,利用厚度振动模态和一阶对称横向模态的耦合来拓宽1-3型压电复合材料换能器带宽;另一种是三峰耦合换能器,利用一阶厚度振动模态、一阶对称横向模态和三阶厚度振动模态的耦合来拓宽1-3型压电复合材料换能器带宽。 单端激励1-1-3型压电复合材料宽带换能器,是将单端激励原理引入1-3型压电复合材料,并在此基础上提出1-1-3型压电复合材料结构。详细分析了1-1-3型压电复合材料的主要振动模态以及1-1-3型压电复合材料微结构参数对复合材料谐振频率的影响。基于此,利用1-1-3型压电复合材料的一阶厚度振动模态、二阶厚度振动模态和三阶厚度振动模态的耦合来拓宽复合材料换能器带宽。 最后,加工制作了双峰耦合横向模1-3型压电复合材料宽带换能器和单端激励1-1-3型压电复合材料宽带换能器,并且测量了两种换能器的频率特性、阻抗特性以及发送电压响应。最终测量结果表明,双峰耦合横向模1-3型压电复合材料宽带换能器±2dB带宽为190kHz-390kHz,换能器的最大发送电压响应为158dB。单端激励1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作带宽为112kHz-450kHz,发送电压响应峰值为174dB。上述换能器的响应起伏趋势与ANSYS软件的计算结果基本吻合。


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