實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：平面水聲壓電換能器的制備與性能研究

研究方向：壓電換能器

實(shí)驗(yàn)原理：

壓電換能器是能夠發(fā)射和接收超聲波的電聲轉(zhuǎn)換器件，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，換能器可分為不同的種類(lèi)。按照功能可分為發(fā)射型、接收型和收發(fā)兩用型換能器。通常發(fā)射型換能器是將電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為聲場(chǎng)，一般具有較大的輸出聲功率和較高的電聲轉(zhuǎn)換效率:而接收型換能器能夠?qū)⒙晥?chǎng)轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)的，通常具有較高的接收靈敏度和較寬的帶寬。

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-M230高壓放大器模塊、發(fā)射換能器、接收換能器、示波器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：水下超聲無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

水下UWET系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示，系統(tǒng)主要由發(fā)射端和接收端兩部分構(gòu)成，并在海水介質(zhì)中通過(guò)超聲波信號(hào)將兩部分耦合起來(lái)。在發(fā)射端，信號(hào)發(fā)生器提供與發(fā)射換能器諧振頻率相同的正弦波信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，通過(guò)逆壓電效應(yīng)將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)，并在海水介質(zhì)中定向傳輸。在超聲波輻射方向上，正對(duì)著發(fā)射換能器放置與發(fā)射端諧振頻率一致的接收換能器。在接收端，由輻射到接收換能器端面的超聲能量使壓電材料產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而為接收端負(fù)載供電。通常接收換能器產(chǎn)生的電信號(hào)為震蕩的正弦交流電，在實(shí)際應(yīng)用中黑在負(fù)載前端加入濾波、整流和穩(wěn)壓電路。此外，對(duì)于能量傳輸系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的諧振網(wǎng)絡(luò)匹配會(huì)影響系統(tǒng)的傳輸功率和效率，通過(guò)有效地諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)傳輸功率和效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：不同陶瓷柱尺寸平面水聲換能器電導(dǎo)曲線

圖4.3所示為平面水聲換能器的電導(dǎo)曲線隨壓電陶瓷尺寸變化的趨勢(shì)圖在140~240kHz頻率范圍內(nèi)，所有換能器均保持了壓電復(fù)合材料單一振動(dòng)模態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，呈現(xiàn)明顯的厚度諧振并且無(wú)其他方向振動(dòng)的干擾，同時(shí)隨著壓電陶瓷柱尺寸的增大，除諧振峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)之外，其諧振頻率也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，由182.5kHz增大至190kHz。上述變化趨勢(shì)與1-3-2型壓電復(fù)合材料隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化趨勢(shì)相吻合。此外，與壓電復(fù)合材料相比，由其制備的換能器的諧振頻率則略低，如3mmx3mm電制備的復(fù)合材料諧振頻率為191.5kHz，而對(duì)應(yīng)換能器在水介質(zhì)中的諧振頻率為190kHz。這是因?yàn)樵趽Q能器中除壓電復(fù)合材料外其結(jié)構(gòu)中還包含聲學(xué)匹配層、背襯層以及封裝用聚氨醋，這些結(jié)構(gòu)層的存在均導(dǎo)致?lián)Q能器共振質(zhì)量增加，從而使得換能器的諧振頻率低于對(duì)應(yīng)的壓電復(fù)合材料。同時(shí)，為避免壓電復(fù)合材料表面電極導(dǎo)致的漏電現(xiàn)象出現(xiàn)，其阻抗特性的測(cè)試需在空氣進(jìn)行，而封裝后制得的換能器具有水密性，其阻抗特性測(cè)試可在水中進(jìn)行。由于水的密度遠(yuǎn)大于空氣數(shù)值，因此測(cè)試介質(zhì)對(duì)換能器阻抗特性的影響同樣不可忽略，如表4.3所示，換能器在空氣中測(cè)得的諧振頻率略高于水介質(zhì)。

圖：不同陶瓷柱尺寸下壓電復(fù)合材料以及空氣和水質(zhì)中換能器的中聯(lián)諧振頻率

圖4.5為不同壓電陶瓷柱尺寸平面水聲壓電換能器的水平指向性圖。如圖所示，換能器主波束寬度較窄，主波束附近的旁瓣少且小，并且隨著壓電陶瓷柱尺寸的減小，主波束寬度存在變窄的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)所到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，在確定角偏向損失值為-3dB的前提下，對(duì)平面水聲換能器兩方向間的波束寬度進(jìn)行計(jì)算，得到的平面水聲換能器的指向性數(shù)據(jù)如表4.4所示。平面水聲換能器的水平和垂直方向的0.d保持在6左右滿超聲無(wú)線電能傳輸對(duì)換能器小波束開(kāi)角的要求。通常波束開(kāi)角越小越有利于超聲能量的集中，對(duì)提升能量傳輸效率和減小接收換能器的尺寸具有重要意義。

圖4.5：不同壓電陶瓷柱尺寸平面水聲壓電換能器的水平指向性圖

安泰ATA-M230高壓放大器模塊：

圖：ATA-M230高壓放大器模塊

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