复合材料弧面阵换能器研制

摘要

本文研制了一种复合材料弧面阵敏感元件及其换能器，弧面阵敏感元件由1-3型压电复合材料基阵，通过特殊成型工艺制成弯曲弧面基阵，调整弧面阵敏感元件的成型模具的半径，可调整敏感元件弧面阵的弯曲弧度。弧面阵敏感元件突破了现行1-3型压电复合材料难于成型弧面基阵的瓶颈，其均匀性好，可大面积成型，具有1-3型压电复合材料高机电耦合、带宽大等特点，用它制作的换能器实现了高频宽带宽波束发射声波信号。 应用有限元分析法，对复合材料弧面阵敏感元件的周期单元进行了空气中仿真，优化了周期单元的结构参数，利用优化后的参数设计仿真了弧面阵敏感元件，得出谐振频率、带宽以及振动模态随其结构参数变化的规律，并对复合材料弧面阵敏感元件进行了水中的仿真计算，得到了水中的导纳和发送电压响应曲线。 研究了弧面阵敏感元件的制作工艺，包括切割、成型、灌注和电极制备等，建立了敏感元件的制备流程，对制备过程中的关键问题提出了解决方案。根据预期设计要求及有限元仿真优化的结果，实验制作出复合材料弧面阵敏感元件，并进行了性能测试，实际制作的敏感元件样品带宽达到7.55kHz以上，机电耦合系数达到0.61。元件弧面可实现圆心角180°，面积1150mm2弧面的成型。 应用弧面阵敏感元件设计了复合材料圆弧阵换能器结构，并研究了换能器振子的定位、隔震和灌注等制备工艺，研制出复合材料圆弧阵换能器样机，测试了样机的水声性能，并与有限元仿真结果进行了比较。测试结果表明:实验与仿真结果基本相符，换能器样机谐振频率为368kHz，发送电压响应达到158.1dB，-3dB带宽达到45kHz，水平指向性-6dB开角为84°，并且具有良好的垂直指向性，实现了高频宽带宽波束换能器的设计目标。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 概述

1．2 换能器研究现状

1．2．1 压电复合材料换能器

1．2．2 多模耦合宽带压电换能器

1．2．3 径向复合圆环压电陶瓷换能器

1．3 换能器目前存在的问题

1．4 研究的目的及意义

1．5 论文结构

第2章 复合材料弧面阵敏感元件有限元仿真

2．1 有限元方法的基本原理

2．2 有限元软件ANSYS简介

2．3 弧面阵单元建模仿真

2．3．1 预处理

2．3．2 设定材料参数及单元类型

2．3．3 建立有限元模型

2．3．4 划分网格

2．3．5 施加约束及求解

2．4 单元参数对厚度振动的影响

2．4．1 单元厚度和宽度对其厚度振动的影响

2．4．2 单元内部结构参数对厚度振动的影响

2．5 复合材料圆弧阵敏感元件有限元仿真

2．5．1 复合材料圆弧阵敏感元件空气中有限元仿真

2．5．2 复合材料圆弧阵敏感元件水中有限元仿真

2．6 复合材料圆柱阵敏感元件有限元仿真

2．6．1 复合材料圆柱阵敏感元件空气中有限元仿真

2．6．2 复合材料圆柱阵敏感元件水中有限元仿真

2．7 本章小结

第3章 复合材料弧面阵敏感元件的制作和性能

3．1 复合材料弧面阵敏感元件结构

3．2 复合材料弧面阵敏感元件制备工艺

3．2．1 复合材料弧面阵敏感元件原材料选取

3．2．2 复合材料弧面阵敏感元件制备工艺流程

3．3 复合材料弧面阵敏感元件制备

3．4 复合材料弧面阵敏感元件性能测试

3．4．1 敏感元件基元的性能测试

3．4．1 敏感元件电学性能测试

3．4．2 敏感元件振动性能测试

3．5 本章小结

第4章 复合材料圆弧阵换能器的制作和性能

4．1 复合材料圆弧阵换能器结构

4．2 圆弧阵换能器设计

4．3 复合材料圆弧阵换能器的制作工艺

4．3．1 复合材料圆弧阵换能器制作工艺流程

4．3．2 背衬的设计

4．3．3 端盖的设计

4．3．4 匹配层的设计

4．3．5 装配换能器

4．3．6 灌注匹配层

4．4 复合材料圆弧阵换能器的制作

4．5 复合材料圆弧阵换能器性能测试

4．5．1 空气中性能测试

4．5．2 水中性能测试

4．6 仿真与测试结果比较

4．7 本章小结

第5章 结论

5．1 研究内容和结果

5．2 下一步的工作

参考文献

附录

个人简历与发表的论文

致谢