壓電單晶彎張換能器研究.pdf

1、隨著減振降噪技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)被動聲納探測潛艇遇到了困難,遠(yuǎn)距離探測潛艇需要低頻主動聲納。低頻大功率發(fā)射換能器的研究是遠(yuǎn)程主動聲納的關(guān)鍵技術(shù)之一。彎張換能器是水聲領(lǐng)域一種典型的低頻、大功率、小尺寸換能器,但由于其機械品質(zhì)因數(shù)較高,帶寬通常較窄,使其應(yīng)用受到了一定的限制。新型弛豫鐵電單晶材料在準(zhǔn)同型相界附近具有非常優(yōu)異的壓電性能。本文的主要工作是利用壓電單晶作為驅(qū)動材料研究彎張換能器的寬帶發(fā)射問題。本文提出了利用彎張換能器的一階彎曲振動、膜

2、振動、二階彎曲振動的耦合實現(xiàn)寬帶的思想,并且研制了一種壓電單晶驅(qū)動的長軸加長型彎張換能器樣機。
　　 首先,運用矩陣變換法推導(dǎo)得到了沿[001]方向極化的鈮鎂酸鉛一鈦酸鉛PMNT單晶的介電常數(shù)、柔性常數(shù)和壓電常數(shù)的矩陣形式和獨立的常數(shù)分量個數(shù),作為研究壓電單晶驅(qū)動的彎張換能器的基礎(chǔ)。
　　 然后,采用有限元法,利用ANSYS軟件研究了壓電單晶Ⅳ型彎張換能器的主要振動模態(tài)及特征、換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)及帶寬特性以及換能器的結(jié)

3、構(gòu)尺寸對主要振動模態(tài)和寬帶發(fā)送電壓響應(yīng)的影響,進(jìn)而提出了利用多模態(tài)耦合的原理設(shè)計寬帶彎張換能器需要解決的兩個實際問題。在此基礎(chǔ)上,提出了加高Ⅳ型彎張換能器和端面輻射型彎張換能器的解決方案,詳細(xì)討論了各種解決方案對于彎張換能器頻帶拓展所起到的具體作用,并最終提出了長軸加長型彎張換能器的設(shè)計思想。利用有限元軟件ANSYS,對壓電單晶驅(qū)動的長軸加長型彎張換能器進(jìn)行了研究,建立了換能器空氣中與水中的有限元模型,分析了換能器實現(xiàn)寬帶的基本原理以及

4、振動、輻射特性并進(jìn)行了寬帶性能的優(yōu)化設(shè)計。
　　 長軸加長型彎張換能器首先以端面輻射型彎張換能器為基礎(chǔ),解決了二階彎曲振動的響應(yīng)凹谷問題。接著通過長軸加長型彎張殼體的設(shè)計,改變了換能器膜振動模態(tài)在頻帶內(nèi)的相對位置,使之處于一階、二階彎曲振動模態(tài)頻率之間,利用膜振動的輻射能力進(jìn)一步解決了彎張換能器一階、二階彎曲振動之間響應(yīng)起伏較大的問題。從而利用一階彎曲振動、膜振動、二階彎曲振動之間的耦合形成寬帶,實現(xiàn)了彎張換能器的頻帶拓展,并且

5、借助于壓電單晶材料低聲速、高應(yīng)變的特點降低換能器的工作頻率,提高換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)。
　　 最后,設(shè)計并制作了PMNT單晶與PZT-4壓電陶瓷驅(qū)動的Ⅳ型彎張換能器并進(jìn)行了水池測試。結(jié)果表明:同種結(jié)構(gòu)尺寸的Ⅳ型彎張換能器,利用PMNT做驅(qū)動材料相比PZT-4,諧振頻率降低17％,諧振時的電導(dǎo)值大5倍,獲得的發(fā)送電壓響應(yīng)高5dB。對PMNT單晶驅(qū)動的長軸加長型彎張換能器進(jìn)行了制作和測試,在1.6kHz～16kHz的頻率范圍內(nèi),壓電