1-1-3型压电复合材料宽带换能器
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ｗ ． ｅｎ ｈｍ 教 授 首 先 提 出 了 １３ 型 压 电 复 合 材 料 的 概 ａ ．
收 稿 日期 ：０ ０ １—２ ２ １ —０２ ．
作 了直径为 ７ ｍ的参量阵 ， ６ｃ 名为 Ｕ Ｒ ． ＿． 国 Ｓ Ｄ８ ５ 英 ２ Ｊ
１ ３． ｏ ６ ｃ ｎ。
通信作者 ： 凯． 张
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第３ ２卷
该 换 能器 可 以应 用 于 水 声 通 信 领域 Ｊ韩 国 的 Ｚ ｉ ． ｈ Ｔａ ｉ ｎ等人 利用 在 １３型压 电复合材 料 圆管 外 表 面加 ． 匹配层制 作 了宽带 圆管换 能器 Ｊ ． 本 文将 单端激 励 的原理 引入 １３型 压 电复合 材 ． 料 中 ， 此 基 础 上 提 出 了一 种 １１３型压 电复 合 材 在 —． 料 结构 ， 并且 利用 有 限元 方法 ， 运用 大型 有 限元 软件 Ａ Ｓ Ｓ分析 了 １１３压 电复合材 料 的频 率特 性 和 阻 ＮＹ —— 抗 特 性 ， 用 １１３型压 电复 合 材 料 的 一 阶厚 度 振 利 ．— 动模 态 、 阶厚度 振 动模 态 和 三 阶 厚度 振 动模 态 的 二 耦 合设 计 并制 作 了带 宽 为 ２个倍 频 程 的 １１３型压 －— 电复 合材料 宽带 换 能器 ． 而也 解 决 了高 频 换 能 器 从 （ 率大 于 １０ｋ ｚ实 现宽带 发射 的难点 ． 频 ０ Ｈ ）
１３型 压 电 复 合 材料 换 能 器具 有 很 多 优 点 … ： ． 其重量 轻 、 于共形 、 阻 抗率 低 、 用其 制 作 的换 易 声 利 能器 的有 效机 电耦 合 系数 高 、 近 于 压 电 陶瓷 相 的 接
念 ｊ在 此 基 础 上 人 们 对 其 做 了广 泛 的研 究 ． ， 同 时人们 对 １３型压 电复合 材料 在水 声 换 能器 上 的应 ． 用也做 了很 多研 究 工作 ． 国 的 Ｔ ｏ ｓＲ ｏ ａｔ 美 ｈｍａ ．Ｈ ｗｒ ｈ 制作 了尺 寸为 ２４ｍ × ５ ｍ ×６３ ｍ 的大 面 ５ ｍ ２ ４ｍ ．５ｍ 积 １ 型压电复合材料换能器 ． 国水下作战 中 ． ３ Ｊ美 心 的 Ｋｍ Ｃ ｅｊｍｎ利 用 １３型压 电复 合 材 料 制 ｉ ．Ｂ ｎａ ｉ －
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１１３型 压 电复 合 材 料 宽 带换 能 器 ——
蓝 宇 ，张 凯 ＇
（ ． 尔滨工程 大学 水 声技 术国家级 重点 实验室 ， １哈 黑龙 江 哈 尔滨 １００ ； ． 州应用声 学研究所 ， ５０１ ２ 杭 浙江 杭 州 ３０ １ ） １０２
摘 要 ：－ １３型压 电复合 材料换 能器带 宽的拓展一般采用匹配层 的方法 ， 但匹配层的特性会 随着时间的变化而变化 ， 这会
同相 的 ， 就 是 同时 扩 张或 收缩 ， 也 因此 称 图 ２ ａ 所 （） 示 的激励 方式 为左 右 同相 激 励 ． 由于 同相 激 励 只 能 激 励 出位 移对 称 的奇 数 阶纵 向振 动模 态 ， 法 激励 无 出偶数 阶模态 ． 因此 ， 在第 ２阶纵 向振 动模态 的谐 振 频率处 端 面的位移 很 小 ， 送 电压 响应 曲 线上 出现 发 了一个 很 深 的 凹谷 ， 图 ３ ａ 曲线 １ 示 ． 了激 如 （） 所 为 励 出第 ２阶纵 向振 动模态 ， 须采 用如 图 ２ ｂ 所示 左 （） 右反相 激励 ， 其发 送 电压 响应 曲线 如 图 ３曲线 ２所 示． 如果 ， ２种 激 励 叠加 在 一 起 ， 图 ２ Ｃ 所示 ， 将 如 （）
ｉ ｔ ｅｏ ｄ ｎ ｒ ｔ ｃ ｅｓ ｄ ｓ ｌ ，ａｍ ｔ ｄｗ ｓ ｖ ｃ ｉ ｒａ —ａ ｄｐｏ ｃ ｏ ｅｆｍ ｆｓ，ｓｃｎ ，ａ ｄｔｉ ｉ ｎ ｓ ｍｏｅ．Ａｓ・ ｅ ｏ ａ ｉ ｎｔ ａ ｈｅｅｔｅｂｏｄｂ ｎ ｒ ｅｔ ｎｐ ｒ ｒ － ｒ ｈ ｄｈ ｋ ｏ ｈ ｇｅ ｏ ｖ ｈ ｊ ｉ ｏ
中 图 分 类 号 ：Ｂ ６ 文 献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ：０ ６７ ４ （０ １ １—４ ９０ Ｔ ５５ Ａ １０ － ３ ２ １ ） １１７ － ０ ５
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ － － ｉ ｚ ｃ ｍ ｐ ｓｔ ｏ ｄ ｂａ ｄ ｔ ａ ｓ ｕ ｅ ｓ ｓ ａ ｃ ｎ １１３ ｐｅ ｏ ｏ ｏ ｉｅ ｂｒ ａ － ｎ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒ
基金 项 目： 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 基 金 资 助 项 目 中
（ Ｅ Ｃ Ｉ０ ０ ） Ｈ Ｕ ＦＯ ５ ４ ．
作者简介 ： 蓝宇 （９ ４ ） 男 ， １７ － ， 副教授 ， 博士 ； 张凯 （ ９ ２ ） １８ 一 ，男 ，博 士 研 究 生 ，Ｅ ｍ ｉ ｚａｇ ａ ｗ ． ａｌ ｈｎ ｋｉ ｊ＠ ： ｈ
ｃ ｍｐ ｓ ｅ ｔ ｎ ｄ ｃ ｒｗａ ｅ ｐ ｗｉ ｏ ｏ ｉ ｒ ｓ ｕ ｅ ｓｓ ｔｕ ｔ ＡＮＳ ｏ ｔ ｒ ｎ ｈ ｔ ｃｕ ｅ ｏ ｅ ｔａ ｓ ｕ ｅ ｓｏ ｔ ｚ ｄ ｔ ａ ｈ ＹＳ ｓ ｆ ｗａ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｕ ｔ ｒ ｆ ｈ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒｗａ ｐ ｉ ｅ ．Ａ ｆ ａ — ｒ ｔ ｍｉ ｎ ｌ１ ｉ
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第３ ２卷第 １ 期 １
２１ 年 １ ０１ １月
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Ｖ０Ｊ３ № ．１ ２ ． １ ＮＯ ． ０１１ Ｖ２
Ｊｕ ｎ ｌ ｆＨａｂｎ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｉｅｓｔ ｏ ｒ ａ ｒ ｉ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｉ ｙ
ｄｉ１． ９９ ｊｉ ｎ １０ ７ ４ ．０ １ １ ． １ ｏ：０ ３ ６ ／． ｓ．０ ６— ０ ３２ １ ．１ ０５ ｓ
其效果与图 ２ ｄ 相同， （） 相当于单端激励 ， 此时， 前三 阶纵 向振 动模态全 部 被 激励 出来 ， 送 电压 响应 如 发
造成换 能器性能的不稳定． 将单端 激励 的原理引入 １３型压 电复合材料 ， 出了一种新的压 电复合材料 结构 ， １１ － 提 即 ．— ３型 压 电复合 材料． 应用 Ａ Ｓ Ｓ软件建立 １１３型压 电复合材料换 能器 的有 限元 模型 ， ＮＹ ．． 然后进行结构 优化 ， 最终制作 了一个 利用 一阶 、 阶和三 阶厚 度振 动模 态的 １１ 二 ．— ３型压 电复合材料宽带换能器 ， 其工作 带宽 为 １２ｋ ｚ ４ ０ｋ ｚ发送 电压响 １ Ｈ 一 ５ Ｈ ， 应最 大值为 １４ｄ ． ７ Ｂ 研究 结果表明 ： 利用 １１３型压电复合材料 的一 阶、 阶和三阶厚度 振动模态 可以拓展压 电复合材料 —－ 二 换 能器的带宽 ， 同时也 给出了一种 高频换能器实现宽带发射 的方法 ． 关键 词 ：—－ １１ ３型压 电复合材料换能器 ； 端激 励 ； 单 宽带 ； 有限元法
ｃｕ ｉ ｎ ａ ｅ ｒ ａ ｈ ｄ ｆ ｍ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ：Ｔ ｅ ｂ ｎ ｗｉｔ ｆｐ ｅ ｏ ｏ ｏ ｉ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒ ａ ｅ ｅ ｐ ｎ ｅ ｙ ｔ ｅ ｌ ｓｏ ｓｃ ｎ ｂ ｅ ｃ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｈ ａ ｄ ｄ ｈ ｏ ｉ ｚ ｃ ｍｐ ｓｔ ｔ ｓ ｕ ｅ ｓ ｃ ｎ ｂ ｘ ａ ｄ ｄ ｂ ｈ ｅ ａ
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ＬＡＩ ， Ｎ Ｙｕ ＺＨＡＮＧ ｉ， Ｋａ
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的 Ｓ Ｃｃｒ 等人在 １ ． ｏｈ ｎ ａ ． ３型单 晶压 电复合材料前加 匹配 层 制 作 了 带 宽 超 过 一 个 倍 频 程 的水 声 换 能 器 ． 土耳其的 Ｉ ｅ ｎＥｍ ｓ ．Ｃｒ ｌａ ｅ ｈ在 １ 型压 电复合 ３ 材料前加 匹配层制作了宽带 、 宽波束的水声换能器 ，
收 稿 日期 ：０ ０ １—２ ２ １ —０２ ．
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１３型 压 电 复 合 材料 换 能 器具 有 很 多 优 点 … ： ． 其重量 轻 、 于共形 、 阻 抗率 低 、 用其 制 作 的换 易 声 利 能器 的有 效机 电耦 合 系数 高 、 近 于 压 电 陶瓷 相 的 接
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第３ ２卷第 １ 期 １
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其效果与图 ２ ｄ 相同， （） 相当于单端激励 ， 此时， 前三 阶纵 向振 动模态全 部 被 激励 出来 ， 送 电压 响应 如 发
造成换 能器性能的不稳定． 将单端 激励 的原理引入 １３型压 电复合材料 ， 出了一种新的压 电复合材料 结构 ， １１ － 提 即 ．— ３型 压 电复合 材料． 应用 Ａ Ｓ Ｓ软件建立 １１３型压 电复合材料换 能器 的有 限元 模型 ， ＮＹ ．． 然后进行结构 优化 ， 最终制作 了一个 利用 一阶 、 阶和三 阶厚 度振 动模 态的 １１ 二 ．— ３型压 电复合材料宽带换能器 ， 其工作 带宽 为 １２ｋ ｚ ４ ０ｋ ｚ发送 电压响 １ Ｈ 一 ５ Ｈ ， 应最 大值为 １４ｄ ． ７ Ｂ 研究 结果表明 ： 利用 １１３型压电复合材料 的一 阶、 阶和三阶厚度 振动模态 可以拓展压 电复合材料 —－ 二 换 能器的带宽 ， 同时也 给出了一种 高频换能器实现宽带发射 的方法 ． 关键 词 ：—－ １１ ３型压 电复合材料换能器 ； 端激 励 ； 单 宽带 ； 有限元法
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