声频定向压电换能器及其阵列的建模、分析与测试

摘要

声频定向扬声器是能发射具有高指向性可听声的声源系统，系统通过所发射出的超声波波束在空气中产生非线性交互作用，自解调产生具有高指向性的可听声信号。本论文研究的对象是可以用于手持移动多媒体设备的声频定向扬声器核心部件之一，压电换能器。研究目的旨在通过建立数学理论模型，分析性能参数。从而通过优化结构参数，设计一款具有高机电耦合系数和振幅的压电换能器以及和具有高指向性的换能器阵列。
　　本论文在研究过程中，基于对压电换能器理论模型的合理简化，采用薄板振动理论和压电方程建立了圆形薄板压电换能器单元的弯曲拉伸耦合振动的数学模型，并使用该模型对换能器的振动特性进行系统的分析，确立了换能器结构参数同振动频率、振幅和机电耦合系数之间的影响机制。基于对这三个振动参数的设计需求，设计优化了换能器的PZT层厚度、半径和Al层厚度、半径。由于单个换能器并不能满足声频定向扬声器对指向性的需求，本文采用多个换能器组阵的方式，对换能器阵列进行了设计及分析。在考虑了偏轴效应和超声信号在空气中的衰减问题，本文引入参量声学阵原理，结合换能器阵指向性函数，建立了圆形活塞换能器组成的矩形阵列的参量声学阵指向性函数，分析换能器阵的指向性，并以优化指向性角和减小旁瓣声压为目的设计了换能器阵列参数。
　　根据设计结果，制作了换能器单元并组阵进行了包括频响、声压级和指向性的测试。频响测试结果显示由于采用了较成熟的制作工艺，换能器一致性非常好，这为获得高声压级提供基础，声压测试反映组阵能有效提高换能器声压，指向性测试则说明采用阵列形式的换能器有明显的指向性。由于理论分析存在近似计算，因此测试数据同理论分析值之间存在差异，有待在后续的研究中改善。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 声频定向压电换能器理论分析

2.1理论基础

2.2薄板振动

2.3压电换能器振动理论及数学建模

2.4本章小结

第三章 声频定向压电换能器性能分析及结构设计

3.1材料选择及其参数

3.2压电换能器谐振频率、振幅分析

3.3压电换能器有效机电耦合系数分析

3.4本章小结

第四章 声频定向压电换能器阵列指向性分析及优化

4.1换能器阵列指向性基础理论

4.2换能器阵列参数设计

4.3本章小结

第五章 声频定向压电换能器性能测试

5.1换能器频响测试

5.2换能器声压级测试

5.3换能器指向性测试

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果