PVDF水听器的研究

摘要

PVDF（Polyvinylidene fluoride）压电薄膜是一种新型高分子压电换能材料，它具有独特的铁电效应、压电效应和热电效应。与传统的压电材料PZT相比较具有频响宽、动态范围大、灵敏度高、密度低、声阻抗低和易加工等特点，还具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、易制成任意形状，如形状不规则的片或管状等优势。
　　首先本文对PVDF水听器进行了基本理论研究。由于PVDF柔软，易弯曲，通常将其附着在背衬上，增大机械强度。首先通过推导平面形PVDF压电薄膜小振幅下声波法向入射时的开路电压，经计算化简得到其低频接收灵敏度级；其次根据弹性静力学理论推导出圆柱形PVDF水听器应力分布，进而得到圆柱背衬两端三种不同边界条件下的灵敏度表达式。
　　然后利用有限元分析软件ANSYS对平面形PVDF水听器和圆管形PVDF水听器进行了模态分析以及谐波响应分析。结合理论推导分析了背衬的材料特性、压电薄膜的厚度以及各结构尺寸对PVDF水听器性能的影响。通过优化设计，确定虚拟样机尺寸，并对其进行模态分析，水中的谐波响应分析；平面形PVDF水听器虚拟样机的一阶反谐振频率为5.2kHz，接收灵敏度级为-199.1dB；圆柱形PVDF水听器虚拟样机的一阶反谐振频率为5.5kHz，接收灵敏度级为-191.6dB。
　　最后制作了平面形PVDF水听器和圆柱形PVDF水听器样机，并对水中的接收灵敏度和指向性图进行了测量。平面形PVDF水听器的接收灵敏度级与理论值基本吻合，起伏在-0.5-3.2dB；圆柱形PVDF水听器的接收灵敏度低于理论值，起伏在3.9-8.4dB，在文中进行了相应的误差分析。

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第1章 绪论

1.1 概述

1.2 PVDF压电薄膜

1.3 PVDF材料在水听器中的应用

1.4 评价水听器的主要指标

1.5 本文的工作内容

第2章 PVDF水听器的基本理论

2.1 平面形PVDF水听器的基本理论研究

2.2 圆柱形PVDF水听器的基本理论研究

2.3 电缆电容对水听器接收灵敏度的影响

2.4 本章小结

第3章 PVDF水听器的有限元仿真分析

3.1 利用有限元软件分析换能器的基本理论

3.2 电声互易原理简介

3.3 平面形PVDF水听器的有限元仿真分析

3.4 圆柱形PVDF水听器的有限元仿真分析

3.5 本章小结

第4章 PVDF水听器的制作及测试

4.1 PVDF水听器的制作

4.2 平面形PVDF水听器的性能测试

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A