【摘要】：隨著聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展,壓電復(fù)合材料由于具有較低的聲阻抗、較小的平面機(jī)電耦合系數(shù)、高等靜壓壓電常數(shù)以及優(yōu)異的柔韌特性,被廣泛應(yīng)用于研發(fā)生物醫(yī)學(xué)傳感器與水聲換能器及其陣列,相關(guān)的換能器件被廣泛用于水聲、功率超聲、醫(yī)學(xué)超聲以及檢測(cè)聲學(xué)等領(lǐng)域。1-3-2型壓電復(fù)合材料屬改進(jìn)型的1-3型壓電復(fù)合材料,其結(jié)構(gòu)可看作成由1-3型壓電復(fù)合材料和陶瓷基底串聯(lián)而成。1-3-2型壓電復(fù)合材料除具有1-3型壓電復(fù)合材料的低密度、寬帶和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)外,同時(shí)還具有穩(wěn)定的機(jī)械特性和溫度特性。本文基于1-3-2型或其改進(jìn)型的壓電復(fù)合材料,研究和設(shè)計(jì)了 1-3-2型壓電復(fù)合材料水聲換能器和夾心式超聲換能器,其主要內(nèi)容包含以下幾部分:(1)基于串并聯(lián)理論和均勻場(chǎng)理論,介紹了 1-3-2壓電復(fù)合材料等效參數(shù)的分析方法,給出了 1-3-2型壓電復(fù)合材料的彈性常數(shù)、介電常數(shù)、壓電常數(shù)以及密度的等效參數(shù)表達(dá)式;分析了 1-3-2型壓電復(fù)合材料厚度方向的振動(dòng)特性,運(yùn)用等效電路法給出了其厚度振動(dòng)頻率的計(jì)算表達(dá)式;介紹了運(yùn)用有限元ANSYS軟件分析1-3-2型壓電復(fù)合材料的理論簡(jiǎn)化方法,給出了 1-3-2型壓電復(fù)合材料的有限元分析簡(jiǎn)化模型,并驗(yàn)證模型的可行性。(2)運(yùn)用切割填充法制作了 1-3-2型壓電復(fù)合陶瓷材料,仿真和實(shí)驗(yàn)分析了其厚度振動(dòng)的頻響曲線;利用1-3-2型壓電復(fù)合陶瓷材料具有低聲阻抗,低機(jī)械Q值、高機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)、電極制作工藝簡(jiǎn)單以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易發(fā)生變形等優(yōu)點(diǎn),研制了壓電復(fù)合材料寬頻帶水聲換能器件。給出了水聲換能器常用指標(biāo)的計(jì)算表達(dá)式和測(cè)試方法,并在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試水池中對(duì)換能器的電性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。分析了基元大小、切割深度以及切割縫寬對(duì)壓電復(fù)合材料換能器的電導(dǎo)納和發(fā)射特性的影響。結(jié)果表明,1-3-2型壓復(fù)合陶瓷材料水聲換能器具有在工作頻帶內(nèi)模態(tài)單一、高發(fā)射響應(yīng)以及寬頻帶等特點(diǎn)。(3)研究了基于改進(jìn)型的1-3-2型壓電復(fù)合材料高頻相控陣換能器,結(jié)構(gòu)上利用1-3-2型壓電復(fù)合材料按一定規(guī)律排布的壓電陶瓷柱作為陣列的基元,同時(shí)利用其"極薄"的陶瓷基底作為陣列的支撐結(jié)構(gòu),陶瓷柱間灌注高分子去耦材料形成所需陣列。計(jì)算了陣列的指向性特性,并給出了波束的形成方案。對(duì)基元分組進(jìn)行電路連接,通過(guò)后端電路的相位控制,實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射與接收。設(shè)計(jì)并制作了高頻相控陣水聲換能器,并對(duì)電性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。與傳統(tǒng)的相控陣換能器的研制方法相比,利用改進(jìn)型的1-3-2型壓電復(fù)合材料研制的相控陣換能器具有子陣一致性好、成陣工藝簡(jiǎn)單以及可有效克服陣列容易發(fā)生變形等工程應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。(4)研究和設(shè)計(jì)了類1-3-2型壓電復(fù)合材料夾心式換能器,運(yùn)用表觀彈性法分析了大尺寸結(jié)構(gòu)體的耦合振動(dòng),給出了縱向振動(dòng)的頻率方程;通過(guò)理論近似,給出了類1-3-2型壓電復(fù)合材料夾心式換能器的共振頻率方程。利用切割法制作了類1-3-2型壓電復(fù)合陶瓷材料,并基于該材料設(shè)計(jì)了夾心式換能器。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了換能器的頻響曲線和輻射端的位移分布,著重分析了切割深度對(duì)換能器輻射端面位移分布的影響。研究結(jié)果表明:該型換能器具有可有效拓寬夾心式換能器的工作頻帶,抑制雜散模態(tài)以及改善位移分布等優(yōu)點(diǎn),其可廣泛應(yīng)用于大功率超聲換能器與水下大功率輻射器等領(lǐng)域。(5)分析了1-3-2型弧形壓電復(fù)合陶瓷材料的壓電特性與聲學(xué)特性,給出了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。研究了 1-3-2型弧形壓電復(fù)合陶瓷材料的切割工藝,并采用切割弧形壓電陶瓷并填充有機(jī)物的工藝方法,制作了 1-3-2型弧形壓電復(fù)合陶瓷材料,并對(duì)相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。利用研制的1-3-2型弧形壓電復(fù)合材料設(shè)計(jì)了高頻寬波束水聲換能器,并在消聲水池中對(duì)換能器的電聲參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果表明:1-3-2型弧形壓電復(fù)合材料換能器在工作頻帶內(nèi)具有模態(tài)單一、不易發(fā)生變形、可實(shí)現(xiàn)高頻寬波束輻射聲波以及制作工藝簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB33;TB552

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2424027