应用于高性能超声换能器的新型压电材料的优化研究

摘要

随着信号处理不断发展，势必要求从换能器获取越来越多的信息量，而通常水声换能器的Qm值较高，频率带宽较窄，在声信号的接收和发射中，工作频率范围有限，难以提供较多的信息量，因此宽频带换能器的要求越来越重要。本文研究的目的是制备一种新型的便于传送窄脉冲信号、高时域分辨率、系统Qm值低、低声阻抗的宽频带压电超声换能器，即研究如何增宽换能器的频带宽度，本文通过研究压电材料的表征、结构、性能等方面出发，分析压电材料的表征和制备对增宽频带宽度、机械输出、电子阻抗的影响，并优化得到最佳的材料制备比例以及精确地表征方法，为1-3型压电复合材料的加工制备以及换能器的设计和特性研究提供理论依据。
　　一方面，本文实现了精确表征高损耗压电材料介电、压电、弹性等参数及其损耗特性。针对压电材料参数的精确表征问题，本文基于模拟退火（Simulated Annealing, SA）优化算法和最小二乘思想,提出了一种包含材料损耗特性的压电材料参数的新型表征方法。运用该新型表征方法对纯厚度振动模式下的典型的高损耗偏铌酸铅压电陶瓷材料和1-3型压电复合材料样品的材料特性进行参数优化，样品电子阻抗共振特性的理论优化结果与实际测量值精确拟合表明该方法能够精确地表征具有损耗特性的压电材料参数。
　　另一方面，为实现增宽超声换能器的频带，本文从压电元件结构-性能的优化入手，实现精确地优化表征电复合材料参数及其损耗特性的同时，研究并分析了压电复合材料压电相体积分数、宽厚比对复合材料的机电耦合系数、声阻抗、压电性能、介电性能、弹性性能、电子阻抗特性、机械输出、频带宽度等参数的影响；基于Newnham的连通理论、均匀场理论、混合定律、本构关系、压电方程、波动方程建立了4mm点群压电复合材料参数表征的复合理论模型；基于压电复合材料参数的理论模型，以实现换能器频带宽度最大化为目标，优化得到压电复合材料压电相的最佳体积分数、宽厚比等参数；最后利用材料的最优参数值，加工制备压电复合材料并设计出相应的宽频带换能器。

目录

应用于高性能超声换能器的新型压电材料的优化研究

OPTIMIZATION OF ADVANCED PIEZOELECTRIC MATERIALS USED IN HIGH PERFORMANCE ULTRASONIC TRANSDUCER

摘 要

ABSTRACT

ACKNOWLEDGEMENTS

CONTENTS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Background, objective and significance of the thesis

1.2 Developmental of Piezoelectric materials and correlated theories

1.3 1-3 piezoelectric material composites

1.4 Summary

CHAPTER 2 RESEARCH ON SIMULATED ANNEALING ALGORITHM

2.1 Introduction

2.2 Composition of Simulated Annealing Algorithm

2.3 Basic flowchart of Simulated Annealing Algorithm

2.4 Relative merits of Simulated Annealing Algorithm

2.5 Summary

CHAPTER 3 CHARACTERIZATION OF HIGH-LOSS PIEZOELECTRIC

3.1 Introduction

3.2 Conventional method of piezoelectric material parameters

3.3 Complex model of piezoelectric material parameters

3.4 Comparison of theoretical values and experimental results

3.5 Summary

CHAPTER 4 COMPLEX MODEL OF 1-3 PIEZOELECTRIC

4.1 Introduction

4.2 Theory model of 1-3 piezoelectric composite materials

4.3 Establishing of theoretical basis

4.4 Complex parameters model of 1-3 piezoelectric composite materials

4.5 Summary

CHAPTER 5 OPTIMIZATION OF 1-3 PIEZOELECTRIC COMPOSITE

5.1 Introduction

5.2 Experiment samples and parameters

5.3 Relationship between volume fraction vc and material parameters

5.4 Relationship between thickness-width ratio t/w(l) and material parameters

5.5 Response characteristic of composite materials

5.6 Summary

CHAPTER 6 MAIN CONCLUSIONS AND RESEARCH PLANS

6.1 Main conclusions

6.2 Innovation points

6.3 Research plans

REFERENCES

APPENDICES

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