高頻寬帶壓電復(fù)合材料換能器研究.pdf

1、21世紀(jì)是人類(lèi)走向海洋的世紀(jì),我國(guó)要躋身于強(qiáng)國(guó)之林,對(duì)海洋的探索任重而道遠(yuǎn),聲納研究日益凸顯了其重要性與緊迫性。作為高分辨率聲納的核心組件,高頻寬帶發(fā)射換能器領(lǐng)域的研究更是具有重要意義。
　　 寬帶換能器在信號(hào)傳輸方面具有顯著優(yōu)勢(shì),如可以減少波形畸變、提高通訊的可靠性和保密性、降低誤碼率。但對(duì)于主要應(yīng)用于高分辨率、短距離聲納系統(tǒng)中的高頻發(fā)射換能器來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射具有一定難度。因?yàn)閾Q能器的機(jī)械尺寸通常與其共振頻率成反比(即換能器

2、共振頻率越高時(shí),其機(jī)械尺寸越小),這樣就很難將中低頻換能器拓展帶寬的方法應(yīng)用于高頻換能器。
　　 1-3型壓電復(fù)合材料換能器作為一種典型的高頻發(fā)射換能器,其帶寬的拓展是目前亟待解決的問(wèn)題。1-3型壓電復(fù)合材料換能器工作在厚度振動(dòng)模態(tài)時(shí)本身帶寬不寬,給實(shí)際應(yīng)用造成諸多不便。現(xiàn)有解決方法,通常是通過(guò)添加匹配層來(lái)拓展其帶寬。然而,隨著時(shí)間推移,匹配層的性能會(huì)產(chǎn)生變化,從而導(dǎo)致?lián)Q能器性能的不穩(wěn)定。鑒于此,為克服高頻匹配層換能器的局限性,

3、本文主要著眼于利用多模態(tài)耦合的方法,進(jìn)行高頻寬帶壓電復(fù)合材料換能器的研究。
　　 首先,基于1-3型壓電復(fù)合材料二維周期性的特點(diǎn),針對(duì)整個(gè)1-3型壓電復(fù)合材料換能器有限元模型的運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)的缺陷,通過(guò)分析1-3型壓電復(fù)合材料一個(gè)周期的性能推出整個(gè)1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器的性能。同時(shí),提出了利用周期模型來(lái)仿真分析1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器水中響應(yīng)特性的方法。
　　 其次,本文提出兩種1-3型壓電復(fù)合材料換能器實(shí)現(xiàn)

4、寬帶發(fā)射的方法:橫向模1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器和單端激勵(lì)1-1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器。
　　 橫向模1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器,是利用厚度振動(dòng)模態(tài)和橫向模態(tài)的耦合來(lái)拓展復(fù)合材料換能器的帶寬。在研究1-3型壓電復(fù)合材料振動(dòng)模態(tài)以及壓電相體積百分?jǐn)?shù)和壓電小柱寬高比對(duì)復(fù)合材料性能影響的基礎(chǔ)上,提出兩種拓寬1-3型壓電復(fù)合材料換能器帶寬的方法:一種是雙峰耦合換能器,利用厚度振動(dòng)模態(tài)和一階對(duì)稱(chēng)橫向模態(tài)的耦合來(lái)拓寬1-3型壓

5、電復(fù)合材料換能器帶寬;另一種是三峰耦合換能器,利用一階厚度振動(dòng)模態(tài)、一階對(duì)稱(chēng)橫向模態(tài)和三階厚度振動(dòng)模態(tài)的耦合來(lái)拓寬1-3型壓電復(fù)合材料換能器帶寬。
　　 單端激勵(lì)1-1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器,是將單端激勵(lì)原理引入1-3型壓電復(fù)合材料,并在此基礎(chǔ)上提出1-1-3型壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。詳細(xì)分析了1-1-3型壓電復(fù)合材料的主要振動(dòng)模態(tài)以及1-1-3型壓電復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料諧振頻率的影響。基于此,利用1-1-3型壓電復(fù)合材

6、料的一階厚度振動(dòng)模態(tài)、二階厚度振動(dòng)模態(tài)和三階厚度振動(dòng)模態(tài)的耦合來(lái)拓寬復(fù)合材料換能器帶寬。
　　 最后,加工制作了雙峰耦合橫向模1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器和單端激勵(lì)1-1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器,并且測(cè)量了兩種換能器的頻率特性、阻抗特性以及發(fā)送電壓響應(yīng)。最終測(cè)量結(jié)果表明,雙峰耦合橫向模1-3型壓電復(fù)合材料寬帶換能器±2dB帶寬為190kHz-390kHz,換能器的最大發(fā)送電壓響應(yīng)為158dB。單端激勵(lì)1-1-3型壓電復(fù)合材