串叠复合材料圆环阵水声换能器设计及制备

提出了一种新型高频宽带压电复合材料圆环阵换能器,综合采用了压电复合材料和多模耦合振动来拓展换能器带宽。通过ANSYS软件对其进行有限元建模仿真,得到了该换能器谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件最优设计方案。由最优参数加工得到用于叠堆的两个压电复合材料圆环,并将两压电复合材料圆环轴向叠堆,最终制作了双圆环叠堆压电复合材料水声换能器。经测试,该新型换能器形成了明显的双模耦合振动,其-3dB工作带宽为320~410kHz,最大发送电压响应达147.8dB。研究结果表明,利用复合材料和多模耦合振动可以大幅度拓展高频换能器的带宽。     

层叠复合材料宽带换能器设计

利用多模耦合原理,将两片不同厚度的1-3型复合材料叠堆,制作宽带压电振子。用串并联理论与等效参数理论,计算不同厚度复合材料的谐振频率,得出构成层叠压电振子的两片复合材料的谐振频率差,并通过实验加以验证。结果显示,实验值与计算值吻合较好。将上述压电振子灌封,制作水声换能器并进行测试。结果表明,四只换能器的–3 d B带宽最大可达80 k Hz,最大发送电压响应均在163 d B以上。     

宽带组合式水声换能器设计研制及应用

通用宽带换能器(含低频到高频)一般是将不同类型的换能器进行组合使用,单个换能器独立设计再组合成阵,其综合体积及质量均大,且安装后其性能指标受影响(如换能器开角变小等)。该文在分析当前国内外宽带换能器研究现状基础上,结合小型遥控无人潜水器(ROV)搭载探测需求,提出具体设计指标要求。将复合棒换能器与数个压电陶瓷圆环进行开放式一体化组合设计,在满足小型ROV安装要求的基础上,实现了发射3～100 kHz、接收1～100 kHz的超宽频带覆盖范围,且开角不小于70°。水池及湖上实航实验结果表明,研制的换能器与仿真设计相符,实航测量结果与国内外相关结论一致性较好,具有广泛的工程实用价值。     

宽频带径向极化压电圆管水声换能器研究

利用径向极化的压电圆管制作了一种便携式宽频带换能器。依据薄膜理论模型,分析了压电圆管的振动特性,主要应用有限元法对其进行优化设计,并给出了薄膜理论、有限元法和试验数据的一个对比,结果表明:有限元法设计准确,研制的宽频带换能器满足实际应用的要求。     

圆管-线圈耦合宽带发射换能器有限元分析

圆管型换能器是水声中常见的一种发射换能器.为拓展工作频带,工程上可通过改进电端,将压电圆管与密绕线圈相串联来激发电路谐振,从而增加带宽,但有限元仿真中压电元件和电磁线圈无法直接耦合在一起.因此,针对圆管-线圈耦合换能器的仿真分析难度较大,该文提出了一种压电-电磁混合有限元仿真方法,通过在压电模型中增加电路接口,利用电磁...     

专利视角下的水声换能器技术发展分析

水声通信在海洋科学研究及海洋开发中发挥着非常重要的作用。水声换能器是水声通信设备中负责电声转换的重要部件。本文通过分析总结水声换能器的专利技术发展趋势和发展脉络,梳理其中的核心专利技术,在这些研究内容的基础上,结合我国加强海洋强国建设顶层设计、推动海洋强国建设,阐明水声换能器技术在未来发展中面临的机遇与挑战。     

关于钹式压电复合换能器基阵的研究

研究了钹式压电复合换能器平面均匀串联基阵及并联基阵的等静压压电性能。钹式压电复合换能器平面均匀基阵具有1－3连通型复合结构的性能特点。连接阵元的基体材料是影响换能器基阵的等静压压电性能的关键,基体越柔软实测值与理论值越接近。钹式压电复合换能器平面均匀串联基阵及并联基阵的等效等静压压电常数及等效等静压灵敏值与阵列 单个钹式换能器的相同。     

对置式宽带宽波束换能器

针对宽带宽波束换能器实现问题,该文在已有换能器结构基础上提出了一种同轴对置结构实现水平径向360°的宽波束覆盖的新方法。采用有限元法对比分析了已有结构和两种对置结构换能器的发送电压响应(TVR)和指向性。结果显示,当障板尺寸为?100 mm×7 mm,换能器和障板的对置距离为4 mm。12~19 kHz时,新结构水平径向波束宽度为360°,水平径向TVR＞138 dB,换能器实现了径向高TVR和宽工作带宽。     

高频球面宽波束水声换能器研究

该文对高频球面宽波束水声换能器的声学特性与制作工艺进行了分析和研究,制作出了满足设计要求的换能器样品,并对其声学性能参数进行了测试。实验分析结果表明,研制的高频球面宽波束换能器具有在工作频带内模态单一,高频工作时水平和垂直方向具有宽波束等特点,该型水声换能器应用于声呐系统时,可有效增加声呐系统的辐射范围。     

基于1-3-2型压电复合宽频带水声换能器研究

设计并制作了1-3-2型压电复合陶瓷材料,利用该型压电复合陶瓷材料具有低声阻抗,低机械品质因数(Q),高机电转换系数,电极制作工艺简单及结构稳定不易发生变形等特点,制作了水声换能器件,并进行了电声性能分析与测试。分析结果表明,基于1-3-2型压复合材料制作的水声换能器具有在工作频带内模态单一、高发射响应及宽频带等特点。     

基于ANSYS软件平台的水声换能器优化设计方法

水声换能器设计时需考虑结构尺寸及电声特性等因素限制,快速找到最优设计方案对设计人员非常重要。该文介绍了一种水声换能器参数化优化的设计方法。首先利用ANSYS软件APDL参数化设计语言建立换能器参数化模型,然后将换能器参数化模型导入ANSYS Workbench平台,通过设置输入变量和输出变量给出优化约束条件和优化目标,选择合适优化算法后程序自动进行优化计算,并给出最优设计结果。结果表明,该方法可在换能器参数范围内求解最优方案,同时也能大幅提高设计人员的优化效率。     

水声信号宽带多路模拟处理器的实现

介绍了用于水声信号的宽带多路模拟信号处理器的实现方法,描述了放大器、自动增益控制、滤波器和电源抗干扰电路的设计方法和要求,并给出了实验结果。     

压电单晶换能器及其温度实验研究

压电单晶作为新型的功能材料,具有声速低、应变大以及能量密度高等特点,在超声探伤、超声焊接以及水声探测等领域具有良好的应用前景。基于有限元数值计算的方法,设计了一种基于弛豫铁电单晶的复合棒换能器,进行模态和谐响应分析,并制作了换能器样机,样机测试结果与仿真计算相吻合。此外,在此基础上对样机进行温度实验,得到了该换能器谐振频率、反谐振频率、阻抗值以及机电耦合系数等随温度变化的规律,对换能器的实际应用具有指导意义。     

Cymbal型压电换能器等效压电常数影响因素分析

通过对Cymbal换能器压电陶瓷片受力分析,给出了其压电方程的边界受力约束条件,建立了Cymbal型压电换能器等效压电常数de33函数模型。模型计算结果与试验结果吻合。并利用该模型,分析了Cymbal换能器几个关键参数对等效压电常数de33的影响规律。     

压电换能器机电转换系数研究

针对气流致声压电发电换能器的腔底压力与输出电压之间存在的机电转换关系,建立了谐振状态下的机电耦合模型,获得了机电转换系数解析解,通过理论机电转换系数表达式分析可得,随着换能器谐振角频率、等效质量、压电片等效电容的减小或品质因数的增加,输出电压增加。搭建实验平台,获得模型机电转换系数。实验结果表明,机电转换系数实验值与理论值的误差为11.29%,推导的理论与实验一致,为小型气流致声压电发电系统的设计提供理论支持。     

1-1-3型压电复合材料的水声换能器研究

应用切割灌注法制备了1 1 3型压电复合材料,并对其电学性能进行了测试。1 1 3型压电复合材料通过在压电晶柱间引入2种具有不同杨氏模量的聚合物,提高复合材料整体的机电耦合系数。经测试,其机电耦合系数达0.65。以此材料为基础制备了谐振频率为110 kHz的水声换能器,并研究了匹配层对1 1 3型压电复合材料换能器性能的影响。通过对比发现,当换能器具有匹配层结构时,可产生共振效应,能有效提高换能器的发射电压响应及接收灵敏度。     

压电超声换能器的阻抗匹配分析

介绍了压电超声换能器在串、并联谐振时的等效电路,并对换能器工作在两种谐振频率时的实时跟踪和工作性能进行了详细分析,通过对换能器的外部LC串联匹配分析和相应的阻抗匹配变换,提出了压电超声换能器在并联谐振角频率附近,具有很好的功率自动调节性能。     

AlN压电薄膜换能器性能的仿真研究

在压电换能器的制作中,电极对其谐振和反谐振频率、机电耦合系数及品质因数等重要性能有着直接的影响。该文针对AlN压电薄膜复合结构,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对电极-AlN-不锈钢结构的三维模型进行了压电-结构耦合分析。基于此模型,通过改变电极厚度、材料及压电层的介电和机械损耗等参数,来研究换能器的性能参数变化,研究结果对后续以不锈钢为基底的压电超声换能器的制作起到了一定的理论指导作用。     

超声洁牙器压电陶瓷换能器的研制

首先对超声洁牙器用压电陶瓷换能器的结构设计作了论术并进行了计算，接着介绍了包括陶瓷换能器在内的超声洁牙器的材料选择、具体组成以及性能参数。     

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。