PVDF压电薄膜的弯张换能器

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弯张换能器是低频水声换能器的研究热点,是水声探测、通讯中重要的关键技术之一,目前已经研制出七类弯张换能器。本文针对低频弯张换能器不宜与水匹配的特点,设计制作了一种基于PVDF压电薄膜的水声发射换能器。它将压电晶片堆与结构件构成的复合棒的纵振动转移到由PVDF压电薄膜构成的圆柱体上,激励圆柱体产生径向弯曲振动,从而向水平周向辐射声波的目的。这种结构设计,主要是考虑PVDF压电薄膜具有较低的声阻抗,因此其辐射的声波更易与水匹配。同时PVDF压电薄膜作为主动材料,通过电激励同样可以使其产生径向振动,合理设计其结构可以达到模态耦合的效果,最终实现宽带效果。  论文对PVDF压电薄膜的弯张换能器进行了深入研究,应用等效电路理论分析了PVDF压电薄膜的弯张换能器的振子振动特性,导出了换能器振子的谐振频率方程,并应用换能器谐振频率方程分析了换能器中长度、半径等七个结构参数对换能器谐振频率的影响。根据声波辐射理论和点源叠加理论对PVDF压电薄膜的弯张换能器的指向性进行了理论分析,将换能器简化为PVDF压电薄膜构成的圆柱型,并以此计算换能器远场水平和垂直指向性分布函数。论文还应用导出的指向性函数研究了换能器的长度及半径等参数对换能器指向性指标的影响,找出了其中的规律,对日后设计同类换能器提供了定性和定量的参考。  论文采用有限元法,对换能器进行了仿真分析。根据物理近似条件,将复杂的换能器结构划分为压电晶片堆结构和PVDF压电薄膜构成的圆柱型结构两部分组成。分别分析了各个材料参数对两部分谐振频率的影响。  论文对PVDF压电薄膜的弯张换能器的制备工艺进行了深入研究,建立了换能器制备工艺流程。制备出了PVDF压电薄膜的弯张换能器的原理样机。论文应用换能器的电学及水声性能测试方法,对样机进行了性能测试和分析,测试结果与理论计算及有限元仿真结果耦合较好。同时根据对换能器测试结果的分析,可以判断换能器实现了设计的利用晶片堆纵振动激励PVDF压电薄膜产生径向弯曲振动的目的。
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