低頻窄波束準周期結構換能器的研究

【摘要】：換能器已經應用到如霧化器、超聲材料加工、醫療中的超聲探頭及水下通訊的聲吶等領域。換能器晶片的振動產生聲波,聲波用來進行水下探查,一般聲波的波束寬度越窄,表示聲場能量越集中,因此設計窄波束的換能器對于提高水下探測的范圍和精度、提高成像的分辨率具有較好的作用。為了解決夾心式換能器在低頻工作時的小尺寸問題,本文提出了一種準周期結構換能器,所述準周期結構換能器是把夾心式換能器壓電陶瓷堆中部分壓電片替換為非壓電材料,壓電陶瓷片與非壓電材料交替排列,形成準周期結構,且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反。通過選擇合適的非壓電材料可以獲得較低頻率的換能器。在準周期結構換能器的輻射端添加薄圓板,因為薄圓板的厚度遠小于直徑,換能器的縱向振動傳遞到薄圓板會使其產生彎曲振動,改變了換能器輻射面的振速分布,從而控制換能器輻射聲場的指向性開角。通過調節薄圓板的直徑,控制換能器諧振頻率處的發射電壓響應級與波束寬度,實現低頻窄波束的小尺寸水聲換能器。利用等效電路法和有限元法對所提出的換能器進行了研究,并根據數值仿真結果制作了換能器樣機。論文的主要研究內容和創新點如下:1.設計了準周期結構換能器的結構,利用等效電路理論,推導了準周期結構換能器的等效電路。在忽略損耗的情況下,得到準周期結構換能器的整體等效電路及頻率方程,選擇不同的非壓電材料,計算換能器的諧振頻率,并與相同尺寸下的夾心式壓電換能器諧振頻率進行對比。推導了低頻窄波束準周期結構換能器輻射聲場指向性的計算公式,改變薄圓板的直徑,分析指向性的變化規律。2.建立準周期結構換能器的有限元模型,對不同非壓電材料時換能器的振動模態進行分析,并與相同尺寸下的夾心式壓電換能器的頻率特性進行比較。仿真結果表明,選擇不同的非壓電材料可以獲得不同諧振頻率的換能器,且非壓電材料為尼龍時準周期結構換能器的諧振頻率較低。建立低頻窄波束準周期結構換能器在水中的有限元模型,非壓電材料為尼龍,分析薄圓板的直徑對換能器性能的影響。3.制作了夾心式壓電換能器、準周期結構換能器和低頻窄波束準周期結構換能器的實物模型,利用阻抗分析儀和激光測振儀對換能器的性能進行了實驗測試,并將實驗結果與等效電路計算結果及有限元仿真結果進行了對比。