1-3-2型压电复合材料换能器研究

发布时间：2019-02-16 04:04

【摘要】：随着声学应用技术的快速发展,压电复合材料由于具有较低的声阻抗、较小的平面机电耦合系数、高等静压压电常数以及优异的柔韧特性,被广泛应用于研发生物医学传感器与水声换能器及其阵列,相关的换能器件被广泛用于水声、功率超声、医学超声以及检测声学等领域。1-3-2型压电复合材料属改进型的1-3型压电复合材料,其结构可看作成由1-3型压电复合材料和陶瓷基底串联而成。1-3-2型压电复合材料除具有1-3型压电复合材料的低密度、宽带和高灵敏度等优点外,同时还具有稳定的机械特性和温度特性。本文基于1-3-2型或其改进型的压电复合材料,研究和设计了 1-3-2型压电复合材料水声换能器和夹心式超声换能器,其主要内容包含以下几部分:(1)基于串并联理论和均匀场理论,介绍了 1-3-2压电复合材料等效参数的分析方法,给出了 1-3-2型压电复合材料的弹性常数、介电常数、压电常数以及密度的等效参数表达式;分析了 1-3-2型压电复合材料厚度方向的振动特性,运用等效电路法给出了其厚度振动频率的计算表达式;介绍了运用有限元ANSYS软件分析1-3-2型压电复合材料的理论简化方法,给出了 1-3-2型压电复合材料的有限元分析简化模型,并验证模型的可行性。(2)运用切割填充法制作了 1-3-2型压电复合陶瓷材料,仿真和实验分析了其厚度振动的频响曲线;利用1-3-2型压电复合陶瓷材料具有低声阻抗,低机械Q值、高机电转换系数、电极制作工艺简单以及结构稳定不易发生变形等优点,研制了压电复合材料宽频带水声换能器件。给出了水声换能器常用指标的计算表达式和测试方法,并在标准测试水池中对换能器的电性能指标进行了测试。分析了基元大小、切割深度以及切割缝宽对压电复合材料换能器的电导纳和发射特性的影响。结果表明,1-3-2型压复合陶瓷材料水声换能器具有在工作频带内模态单一、高发射响应以及宽频带等特点。(3)研究了基于改进型的1-3-2型压电复合材料高频相控阵换能器,结构上利用1-3-2型压电复合材料按一定规律排布的压电陶瓷柱作为阵列的基元,同时利用其"极薄"的陶瓷基底作为阵列的支撑结构,陶瓷柱间灌注高分子去耦材料形成所需阵列。计算了阵列的指向性特性,并给出了波束的形成方案。对基元分组进行电路连接,通过后端电路的相位控制,实现相控发射与接收。设计并制作了高频相控阵水声换能器,并对电性能指标进行了测试。与传统的相控阵换能器的研制方法相比,利用改进型的1-3-2型压电复合材料研制的相控阵换能器具有子阵一致性好、成阵工艺简单以及可有效克服阵列容易发生变形等工程应用优点。(4)研究和设计了类1-3-2型压电复合材料夹心式换能器,运用表观弹性法分析了大尺寸结构体的耦合振动,给出了纵向振动的频率方程;通过理论近似,给出了类1-3-2型压电复合材料夹心式换能器的共振频率方程。利用切割法制作了类1-3-2型压电复合陶瓷材料,并基于该材料设计了夹心式换能器。实验测试了换能器的频响曲线和辐射端的位移分布,着重分析了切割深度对换能器辐射端面位移分布的影响。研究结果表明:该型换能器具有可有效拓宽夹心式换能器的工作频带,抑制杂散模态以及改善位移分布等优点,其可广泛应用于大功率超声换能器与水下大功率辐射器等领域。(5)分析了1-3-2型弧形压电复合陶瓷材料的压电特性与声学特性,给出了相关参数的计算表达式。研究了 1-3-2型弧形压电复合陶瓷材料的切割工艺,并采用切割弧形压电陶瓷并填充有机物的工艺方法,制作了 1-3-2型弧形压电复合陶瓷材料,并对相关性能参数进行了测试。利用研制的1-3-2型弧形压电复合材料设计了高频宽波束水声换能器,并在消声水池中对换能器的电声参数进行了测试。研究结果表明:1-3-2型弧形压电复合材料换能器在工作频带内具有模态单一、不易发生变形、可实现高频宽波束辐射声波以及制作工艺简单可靠等优点。
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【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TB552

【参考文献】