基于压电复合结构的水下声学接收换能器的研究

摘要

本文在研究了陶瓷/聚合物1-3型压电复合结构以及金属/陶瓷钹式压电复合结构性能的基础上，研究了一种新型金属-1-3型压电复合换能器。这种新型复合结构，能够解决1-3型压电复合结构电极引出困难、容易变形等缺陷，同时发挥钹式结构的等效纵向压电参数的优越性能。两种复合结构有机的结合在一起，使其构成的新型压电复合换能器具有很高的等静压压电常数。
　　 本文主要研究了具有高静水压压电常数的新型金属-1-3型压电复合换能器在水下声学接收换能器中的应用。研究了水下声学接收换能器的工作原理，建立了水下声学接收换能器在静水压下的数学模型，得出了水听器的自由场电压接收灵敏度Mel与1-3型压电复合钹式换能器的静水压压电参数和形状参数的数学关系，以及1-3型压电复合钹式换能器的静水压压电参数与金属端帽形状参数的关系式。利用有限元分析软件ANSYS对1-3型压电复合钹式换能器进行了分析。主要分析内容包括应变的分布，等效等静压压电常数geh与换能器的结构参数的关系，换能器的固有频率特性，得出了复合材料性能在以上参数发生变化时随之变化的规律。
　　 本文制作了基于1-3型压电复合钹式换能器的水听器的实验样机。主要设计内容还包括电荷放大电路和信号处理电路的设计。
　　 本文还通过水下实验对水听器的性能进行了分析。主要测试分析了水听器的自由场电压接收灵敏度和指向性。
　　 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1前言

1.2水声换能器材料的发展

1.2.1压电石英晶体

1.2.2压电陶瓷

1.2.3压电高聚物

1.2.4新型稀土元素磁致伸缩材料

1.2.5压电单晶材料

1.2.6压电复合材料

1.3压电复合材料在水听器领域的研究现状

1.4论文的研究内容

第2章基于1-3型压电复合钹式换能器的水听器的数学模型

2.1前言

2.2水听器的结构

2.3水听器的工作原理

2.3.1 1-3型压电复合钹式换能器在静水压条件下的工作原理

2.3.2自由场电压接收灵敏度

2.4本章小结

第3章有限元法及其软件ANSYS在压电复合材料分析中的应用

3.1前言

3.2有限元方法概述

3.3有限元方法解决压电问题的基本过程

3.4软件ANSYS简介

3.5 ANSYS在压电复合材料分析中的应用

3.5.1轴对称分析

3.5.2创建有限元模型

3.6本章小结

第4章 1-3型压电复合钹式换能器的性能研究和有限元仿真

4.1前言

4.2压电效应

4.3应变的分布

4.4 ghe与1-3型压电复合钹式换能器形状参数的关系

4.4.1 ghe与金属钹式端帽内腔高度th的关系

4.4.2 ghe与1-3型压电复合物厚度tp的关系

4.5 1-3型压电复合钹式换能器的固有谐振频率

4.6误差分析

4.7本章小结

第5章水听器测量电路研究及实现

5.1前言

5.2水听器对测量电路的要求

5.3电荷放大电路的原理

5.4电荷放大电路设计

5.5信号放大电路设计

5.6本章小结

第6章水听器的性能测试

6.1前言

6.2 1-3型压电复合钹式换能器的制作

6.3水声换能器的主要性能参数

6.4空气中试验测量与分析

6.4.1空气中的测量结果

6.4.2空气中电声性能的对比分析

6.5水中试验测量与分析

6.5.1水听器的结构

6.5.2自由场电压接收灵敏度测试方法

6.5.3灵敏度测量结果

6.5.4水听器的指向性测量

6.6本章小结

第7章结论与展望

7.1工作结论

7.2工作展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果