一种非谐振压电复合材料宽带换能器设计
发布时间：2021-04-10 00:20
将压电复合材料拓展带宽技术和非谐振频段工作技术相结合,设计了一种非谐振压电复合材料宽带换能器。应用有限元软件进行建模仿真和优化计算,最终确定了换能器的结构尺寸参数。将压电复合材料振子灌封,制备了水声换能器并进行测试。结果表明,换能器的-3 dB带宽可达40 kHz,带宽比达50%,接收灵敏度≥-192 dB。将仿真结果和实验结果进行对比,结果显示实验值与计算值相吻合。
【文章来源】：电声技术. 2020,44(07)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
1-3型压电复合材料把制备好的1-3型压电复合材料装进支撑结-2-10123阻抗/kΩ
和谐响应分析。根据换能器的结构特点，建立等效四分之一对称模型，设置边界条件和边界载荷。同时，为了减小计算量，忽略对换能器性能影响较小的电缆、吸声泡沫、金属壳体和防水透声层等结构。添加四分之一水域结构并划分网格，如图3所示。图3换能器等效四分之一对称模型2.2.1模态分析首先进行模态分析，通过调整1-3型压电复合材料的结构参数（主要是厚度），使其谐振频率远大于工作频带60～100kHz的上限，最终确定压电复合材料长115mm、宽22mm、厚7.3mm，对应的一阶纵振模态如图4所示，频率为204.25kHz。图41-3型压电复合材料振子一阶纵振模态2.2.2谐响应分析通过进行谐响应分析，计算非谐振压电复合材料宽带换能器在远离谐振频率204.25kHz的工作频段60～100kHz范围内的接收灵敏度，结果如图5所示。由图5可知，在60～100kHz频率范围内，换能器的接收灵敏度≥-191dB，且带内起伏≤2dB。-210-204-198-192-186-18060708090100接收灵敏度/dB频率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300导纳/mS频率/kHz电导电纳-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ频率/kHz电阻电抗压电相防水透声层吸声泡沫电缆金属壳体敏感单元下电极ZXY上电极聚合物相极化方向图5换能器接收灵敏度曲线3换能器制作与测试3.1换能器制作根据仿真优化计算确定的结构尺寸，制作相应的换能器样机。首先制备1-3型压电复合材料，制作过程包括切割、灌注、固化、研磨及制备电极，实物如图6所示。图61-3型压电复合材料把制备好的1-3型压电复合材料装进支撑结构，并用防水透声橡胶密封，制作成的换能器
782020年第44卷第7期投稿网址:www.videoe.cn器件与应用artsandApplicationsP如图7所示。图7非谐振压电复合材料宽带换能器样机3.2换能器测试非谐振压电复合材料宽带换能器的空气中性能主要利用E4990A精密阻抗分析仪进行测量，测量频率范围50～300kHz。图8是非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中导纳曲线图。由图8可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的谐振频率为206kHz，与模态分析计算出的一阶纵振频率204.25kHz几乎一致，对应的最大电导值为20.3mS。-210-204-198-192-186-18060708090100接收灵敏度/dB频率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300导纳/mS频率/kHz电导电纳-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ频率/kHz电阻电抗压电相防水透声层吸声泡沫金属壳体敏感单元下电极ZXY上电极聚合物相极化方向图8换能器空气中导纳曲线图9是非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的阻抗曲线图。由图9可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的反谐振频率为246kHz，电阻峰值为5.3kΩ。-210-204-198-192-186-18060708090100接收灵敏度/dB频率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300导纳/mS频率/kHz电导电纳-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ频率/kHz电阻电抗压电相防水透声层吸声泡沫电缆金属壳体敏感单元下电极ZXY上电极聚合物相极化方向图9换能器空气中阻抗曲线由图8和图9可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在工作频带60～1
本文编号：3128580
【文章来源】：电声技术. 2020,44(07)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
1-3型压电复合材料把制备好的1-3型压电复合材料装进支撑结-2-10123阻抗/kΩ
和谐响应分析。根据换能器的结构特点，建立等效四分之一对称模型，设置边界条件和边界载荷。同时，为了减小计算量，忽略对换能器性能影响较小的电缆、吸声泡沫、金属壳体和防水透声层等结构。添加四分之一水域结构并划分网格，如图3所示。图3换能器等效四分之一对称模型2.2.1模态分析首先进行模态分析，通过调整1-3型压电复合材料的结构参数（主要是厚度），使其谐振频率远大于工作频带60～100kHz的上限，最终确定压电复合材料长115mm、宽22mm、厚7.3mm，对应的一阶纵振模态如图4所示，频率为204.25kHz。图41-3型压电复合材料振子一阶纵振模态2.2.2谐响应分析通过进行谐响应分析，计算非谐振压电复合材料宽带换能器在远离谐振频率204.25kHz的工作频段60～100kHz范围内的接收灵敏度，结果如图5所示。由图5可知，在60～100kHz频率范围内，换能器的接收灵敏度≥-191dB，且带内起伏≤2dB。-210-204-198-192-186-18060708090100接收灵敏度/dB频率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300导纳/mS频率/kHz电导电纳-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ频率/kHz电阻电抗压电相防水透声层吸声泡沫电缆金属壳体敏感单元下电极ZXY上电极聚合物相极化方向图5换能器接收灵敏度曲线3换能器制作与测试3.1换能器制作根据仿真优化计算确定的结构尺寸，制作相应的换能器样机。首先制备1-3型压电复合材料，制作过程包括切割、灌注、固化、研磨及制备电极，实物如图6所示。图61-3型压电复合材料把制备好的1-3型压电复合材料装进支撑结构，并用防水透声橡胶密封，制作成的换能器
782020年第44卷第7期投稿网址:www.videoe.cn器件与应用artsandApplicationsP如图7所示。图7非谐振压电复合材料宽带换能器样机3.2换能器测试非谐振压电复合材料宽带换能器的空气中性能主要利用E4990A精密阻抗分析仪进行测量，测量频率范围50～300kHz。图8是非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中导纳曲线图。由图8可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的谐振频率为206kHz，与模态分析计算出的一阶纵振频率204.25kHz几乎一致，对应的最大电导值为20.3mS。-210-204-198-192-186-18060708090100接收灵敏度/dB频率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300导纳/mS频率/kHz电导电纳-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ频率/kHz电阻电抗压电相防水透声层吸声泡沫金属壳体敏感单元下电极ZXY上电极聚合物相极化方向图8换能器空气中导纳曲线图9是非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的阻抗曲线图。由图9可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在空气中的反谐振频率为246kHz，电阻峰值为5.3kΩ。-210-204-198-192-186-18060708090100接收灵敏度/dB频率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300导纳/mS频率/kHz电导电纳-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ频率/kHz电阻电抗压电相防水透声层吸声泡沫电缆金属壳体敏感单元下电极ZXY上电极聚合物相极化方向图9换能器空气中阻抗曲线由图8和图9可知，非谐振压电复合材料宽带换能器在工作频带60～1
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