1-3型压电复合材料圆柱形换能器研究

现行的1-3型复合材料换能器大都为面状和弧状结构，由于管状1-3型复合材料难以加工，目前圆柱形复合材料换能器还是空缺，而1-3型复合材料具有机电耦合系数高，特性阻抗低，宽带等特点，是换能器用的良好材料。因此本项目采用多片1-3型压电复合材料薄片沿圆周密集径向排列，利用复合材料的厚度振动实现换能器电声转换，研制大灵敏度，高频，宽带圆柱形换能器。该结构的换能器目前未见有类似报道，它可弥补柱形陶瓷圆管换能器高频段的空缺。.研究拟利用压电方程、动力学方程和1-3型复合材料宏观等效性能模型，推导、分析换能器频率等性能与1-3型复合材料陶瓷体积分数、材料厚度和换能器径向尺寸等结构参数的关系，以指导换能器的设计、制作。并利用有限元分析软件模拟计算换能器性能，根据仿真结果进而优化设计结构。根据设计结构，研制性能一致的1-3压电复合材料晶片，均匀排列晶片于背村，研制1-3型复合材料圆柱阵换能器。

1-3型压电复合材料圆柱形换能器由多片1-3型压电复合材料薄片沿金属薄壁圆管周期排列粘贴而成。该换能器不仅具有圆柱形换能器水平指向性均匀的特点，还具有1-3型压电复合材料灵敏度高和宽带的特征，可用于水声、超声等领域。.本项目根据设计的1-3型压电复合材料圆柱形换能器结构，利用压电方程、动力学方程，推导了1-3压电复合材料单元性能与压电陶瓷体积分数的关系。理论模型分析结果显示，陶瓷体积百分比在15 - 25 %之间的1-3压电复合材料可作为接收换能器材料；陶瓷体积百分比在30 - 50 %之间的可用于收发两用换能器；陶瓷体积百分比大于50%的1-3复合材料则是发射换能器的良好材料。.为了进一步研究1-3复合材料圆柱形换能器性能与材料参数和结构的关系。项目利用有限元分析方法，为该类换能器设计了两种仿真模型。模型Ι与换能器的实际结构相同，模型II则根据1-3型压电复合材料等效参数模型将1-3型压电复合材料等效为径向极化的压电圆管，设计了简化模型。为了验证简化模型的可靠性，实验通过改变模型结构尺寸、仿真计算相同结构尺寸下两种模型的径向振动频率，经比较两种模型仿真结果非常接近，误差很小。在此基础上，利用简化模型分别模拟计算了换能器在空气和水中的径向振动频率、导纳、发射电压响应及接收电压灵敏度等性能。.改进了换能器中复合材料制备工艺。选取一个大片压电陶瓷，利用切割-填充法制备复合材料阵元。选取了各项性能参数一致性较好的复合材料作为装配换能器的阵元。研究了换能器制备工艺，研制出了1-3型压电复合材料圆柱型换能器。该换能器不仅具有水平指向性均匀的特性，而且灵敏度和带宽较陶瓷均有所提高。.该项目的研究成果撰写和发表相关科研论文12篇，其中SCI收录刊源4（1篇刊出，1篇录用，2篇审稿中），EI收录刊源3篇（1篇收录，2篇刊出），中文核心2篇（录用未刊出），国际及国内会议论文集3篇；获辽宁省高等学校优秀人才支持计划1项；国际会议分组报告4次，国内会议分组报告1次；培养研究生3人（其中2人毕业，1人在读）。