將壓電復(fù)合材料拓展帶寬技術(shù)和非諧振頻段工作技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器。應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行建模仿真和優(yōu)化計(jì)算,最終確定了換能器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。將壓電復(fù)合材料振子灌封,制備了水聲換能器并進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,換能器的-3 dB帶寬可達(dá)40 kHz,帶寬比達(dá)50%,接收靈敏度≥-192 dB。將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值相吻合。 

【文章來(lái)源】：電聲技術(shù). 2020,44(07)

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【部分圖文】：

1-3型壓電復(fù)合材料把制備好的1-3型壓電復(fù)合材料裝進(jìn)支撐結(jié)-2-10123阻抗/kΩ

和諧響應(yīng)分析。根據(jù)換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立等效四分之一對(duì)稱模型，設(shè)置邊界條件和邊界載荷。同時(shí)，為了減小計(jì)算量，忽略對(duì)換能器性能影響較小的電纜、吸聲泡沫、金屬殼體和防水透聲層等結(jié)構(gòu)。添加四分之一水域結(jié)構(gòu)并劃分網(wǎng)格，如圖3所示。圖3換能器等效四分之一對(duì)稱模型2.2.1模態(tài)分析首先進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)調(diào)整1-3型壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要是厚度），使其諧振頻率遠(yuǎn)大于工作頻帶60～100kHz的上限，最終確定壓電復(fù)合材料長(zhǎng)115mm、寬22mm、厚7.3mm，對(duì)應(yīng)的一階縱振模態(tài)如圖4所示，頻率為204.25kHz。圖41-3型壓電復(fù)合材料振子一階縱振模態(tài)2.2.2諧響應(yīng)分析通過(guò)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在遠(yuǎn)離諧振頻率204.25kHz的工作頻段60～100kHz范圍內(nèi)的接收靈敏度，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在60～100kHz頻率范圍內(nèi)，換能器的接收靈敏度≥-191dB，且?guī)?nèi)起伏≤2dB。-210-204-198-192-186-18060708090100接收靈敏度/dB頻率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300導(dǎo)納/mS頻率/kHz電導(dǎo)電納-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ頻率/kHz電阻電抗壓電相防水透聲層吸聲泡沫電纜金屬殼體敏感單元下電極ZXY上電極聚合物相極化方向圖5換能器接收靈敏度曲線3換能器制作與測(cè)試3.1換能器制作根據(jù)仿真優(yōu)化計(jì)算確定的結(jié)構(gòu)尺寸，制作相應(yīng)的換能器樣機(jī)。首先制備1-3型壓電復(fù)合材料，制作過(guò)程包括切割、灌注、固化、研磨及制備電極，實(shí)物如圖6所示。圖61-3型壓電復(fù)合材料把制備好的1-3型壓電復(fù)合材料裝進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)，并用防水透聲橡膠密封，制作成的換能器

782020年第44卷第7期投稿網(wǎng)址:www.videoe.cn器件與應(yīng)用artsandApplicationsP如圖7所示。圖7非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器樣機(jī)3.2換能器測(cè)試非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器的空氣中性能主要利用E4990A精密阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量頻率范圍50～300kHz。圖8是非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中導(dǎo)納曲線圖。由圖8可知，非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中的諧振頻率為206kHz，與模態(tài)分析計(jì)算出的一階縱振頻率204.25kHz幾乎一致，對(duì)應(yīng)的最大電導(dǎo)值為20.3mS。-210-204-198-192-186-18060708090100接收靈敏度/dB頻率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300導(dǎo)納/mS頻率/kHz電導(dǎo)電納-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ頻率/kHz電阻電抗壓電相防水透聲層吸聲泡沫金屬殼體敏感單元下電極ZXY上電極聚合物相極化方向圖8換能器空氣中導(dǎo)納曲線圖9是非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中的阻抗曲線圖。由圖9可知，非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在空氣中的反諧振頻率為246kHz，電阻峰值為5.3kΩ。-210-204-198-192-186-18060708090100接收靈敏度/dB頻率/kHz-12-8-40481216202450100150200250300導(dǎo)納/mS頻率/kHz電導(dǎo)電納-3-2-1012345650100150200250300阻抗/kΩ頻率/kHz電阻電抗壓電相防水透聲層吸聲泡沫電纜金屬殼體敏感單元下電極ZXY上電極聚合物相極化方向圖9換能器空氣中阻抗曲線由圖8和圖9可知，非諧振壓電復(fù)合材料寬帶換能器在工作頻帶60～1


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