隨著水下探測技術(shù)的深入發(fā)展,對水聲換能器的性能提出了更高新要求,小尺寸、高功率和中高頻成為水聲換能器新的發(fā)展方向。而對于廣泛應(yīng)用的縱向換能器,如何獲得更寬帶寬和更高的發(fā)射響應(yīng),成為了水聲換能器領(lǐng)域研究重點之一。本文主要以縱振寬帶水聲換能器為研究對象,結(jié)合等效電路理論和有限元模型仿真分析兩種方法,通過調(diào)整器件的結(jié)構(gòu)尺寸、激勵方式和外部電路,利用其縱振模態(tài)、前蓋板的彎曲模態(tài)以及壓電晶堆的徑向振動模態(tài)耦合,實現(xiàn)頻帶拓寬的研究目標(biāo)。首先,通過推導(dǎo)縱振換能器的等效電路,分析雙激勵源寬帶換能器的導(dǎo)納曲線,確定換能器的諧振頻率,并初步確定換能器的結(jié)構(gòu)尺寸。在此基礎(chǔ)上建立換能器的有限元模型,運用ANSYS仿真軟件對換能器進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,獲得換能器的多階諧振頻率及發(fā)射電壓響應(yīng)等性能參數(shù)。結(jié)果表明,在±2.7dB帶寬起伏條件下,頻率帶寬范圍為22~49kHz,最大發(fā)射響應(yīng)達到143.3dB。但在大于55kHz的高頻段,發(fā)射電壓響應(yīng)產(chǎn)生了較深的凹谷,起伏過大不能滿足實際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上,利用有限元的方法對換能器的結(jié)構(gòu)模型進行了優(yōu)化分析,研究了結(jié)構(gòu)尺寸、串聯(lián)電阻以及激勵方式對換能器電聲特性的影響規(guī)律。結(jié)構(gòu)尺寸的改變對雙激勵源縱振動換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)有一定影響,改進后的結(jié)構(gòu)具有的最大發(fā)射電壓響應(yīng)為143.9dB,工作范圍從24.0kHz到55.5kHz,發(fā)射電壓響應(yīng)的最大起伏為±3.4dB。而激勵方式的優(yōu)化對高頻段的發(fā)射響應(yīng)的影響非常明顯,改善了同相激勵在高頻段發(fā)射響應(yīng)呈現(xiàn)凹谷的現(xiàn)象,進一步拓展了換能器的工作帶寬,反相激勵換能器的帶寬為28kHz-99kHz,發(fā)送電壓響應(yīng)高達148.2dB,起伏為±7.5dB。最后,制作了單端激勵換能器實物,并測試了空氣中的導(dǎo)納曲線、水中的導(dǎo)納曲線、發(fā)射電壓響應(yīng)級以及方向性。水池實驗表明:實物樣機頻段范圍為25-61kHz,發(fā)送電壓響應(yīng)高達148dB,帶內(nèi)起伏在±6dB內(nèi)。綜上,本文采用縱振換能器的前晶堆反相激勵的方法可以解決高頻諧振頻率之間的存在深凹谷的問題,有效拓展帶寬,對結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化也能有效地降低起伏和增加帶寬。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB565.1
【部分圖文】：

中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文料是由壓電陶瓷與聚合物按照一定的空間排列方式組合典型應(yīng)用，表示壓電相在 1 個方向是連通的，聚合物相 1-1 所示。相比較于 PZT，壓電復(fù)合材料的聲阻抗較抗匹配，厚度機電耦合系數(shù)較高，徑向機電耦合系數(shù)振動模，而且具有一定韌性，方便制作成復(fù)雜的產(chǎn)品利于做接收器�？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)壓電相和聚合物相的體�？偟膩碚f，復(fù)合材料兼具 PZT 和聚合材料的優(yōu)勢，中發(fā)揮重要作用，也能在靈敏度高的水聽器中發(fā)揮重要

復(fù)合棒式換能器也叫作夾心式換能器或者喇叭形換能器。1917 年法國的郎之P.Langevin)使用石英材料做了第一個復(fù)合棒換能器，隨后的一百年中，以復(fù)合棒構(gòu)為基礎(chǔ)，進行輻射面結(jié)構(gòu)的改變、匹配層的應(yīng)用和有源層的創(chuàng)新等研究層出，各種各樣的復(fù)合棒式換能器出現(xiàn)，在換能器領(lǐng)域占據(jù)著不可替代的地位。復(fù)式壓電換能器通常是由前蓋板、壓電陶瓷晶堆、預(yù)應(yīng)力螺桿和后蓋板這四部分，具體如圖 1-2 所示。將壓電陶瓷環(huán)機械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)子構(gòu)成壓電晶堆，在電上施加交變電壓，壓電晶堆在縱向方向上產(chǎn)生振動，所以也叫縱向換能器。前和后蓋板的質(zhì)量會影響發(fā)射聲波的方向，一般后蓋板采用黃銅、鋼或鎢等較重屬，前蓋板采用較輕的金屬鋁或非金屬材料，根據(jù)動量守恒定理，形成一定的振速比，聲波主要從前蓋板輻射出去，而且前蓋板一般設(shè)計成喇叭形增大發(fā)射，提高發(fā)射電壓響應(yīng)而且發(fā)射指向性圖的波束開角較大。預(yù)應(yīng)力螺桿將前蓋板電晶堆和后蓋板固定在一起，而且由于壓電陶瓷的抗拉強度非常低，所以需要一定預(yù)應(yīng)力，使其處于被壓縮狀態(tài)，提高功率極限[10,11,12]。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文1936 年 Hayes 提出彎張換能器的概念，也就是彎曲伸張換能器。1966 年 Toulis發(fā)表了Ⅳ型彎張換能器專利從而被廣泛研究。彎張換能器是利用振幅放大原理，將有源材料的伸縮振動轉(zhuǎn)化為殼體（或桶、梁）輻射面的更大體積位移（即更大的輻射面和振動位移）的彎曲振動。彎曲振動的諧振頻率小于縱振諧振頻率，殼體不僅放大了振動位移還增加了輻射面積，所以彎張換能器的特點是低頻高功率。根據(jù)結(jié)構(gòu)大致可分為七種，這七種又可以歸納為三種結(jié)構(gòu)換能器：柱形結(jié)構(gòu)彎張換能器、長型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器和扁型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器，具體如圖 1-3 所示。
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本文編號：2878750