基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

0.7Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3-0.3PbTiO3单晶/环氧树脂1-3型复合材料的压电性能研究

模拟了0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-0.3PT)单晶1-3型压电复合材料的性能与单品体积分数的关系,得出性能最优时压电相的体积分数为64%,在这一体积分数下,采用切割-填充法,并使用了不同类型的环氧树脂填充制备复合材料.系统地研究了聚合物相对复合材料性能的影响,研究表明,减小聚合物相的刚度系数c和密度ρ有利于提高复合材料的性能,且聚合物相与压电相的结合强度对性能的影响非常明显,制备的PMN-0.3 PT单晶1-3型复合材料的厚度伸缩机电耦合系数k1高达90.1%,压电系数d33大于1000 pC/N,机械品质因数Qm为10.39,声阻抗Z也大大降低,性能明显优于传统的Pb(Zrx,Ti1-x)O3(PZT)陶瓷及其1-3复合材料,在压电换能器和传感器中显示出广阔的前景.     

高频宽带嵌套式复合材料换能器*

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310kHz,最大发送电压响应为188.5dB,-3dB带宽可达130kHz,接收灵敏度最大可达-186.8dB,-3dB带宽可达90kHz,谐振频率处-3dB的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3单晶/环氧树脂1-3型复合材料的压电性能研究

模拟了0.7Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.3PbTiO₃(PMN-0.3PT)单晶1-3型压电复合材料的性能与单晶体积分数的关系,得出性能最优时压电相的体积分数为64%, 在这一体积分数下,采用切割-填充法,并使用了不同类型的环氧树脂填充制备复合材料.系统地研究了聚合物相对复合材料性能的影响,研究表明,减小聚合物相的刚度系数c和密度ρ有利于提高复合材料的性能,且聚合物相与压电相的结合强度对性能的影响非常明显,制备的PMN-0.3 PT单晶1-3型复合材料的厚度伸缩机电耦合系数k_t高达90.1%,压电系数d₃₃大于1000pC/N,机械品质因数Q_m为10.39,声阻抗Z也大大降低,性能明显优于传统的Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(PZT)陶瓷及其1-3复合材料,在压电换能器和传感器中显示出广阔的前景. 关键词： PMN-PT单晶 压电复合材料 压电相 聚合物相     

一种高灵敏压电平面水声换能器

设计并制作了一种高灵敏压电平面水声换能器。该换能器敏感元件是对1-3-2型压电复合材料结构的改进,即在带基底的压电陶瓷小柱阵列间不注入聚合物,并在其上表面直接覆盖金属板,构成“带基底的压电小柱阵列+金属盖板”结构敏感元件(称为“空气填充型”敏感元件)。对“空气填充型”敏感元件的谐振频率进行了理论计算和有限元仿真,与实测结果较吻合。为便于对比性能,同时制作了同尺寸“1-3-2型压电复合材料+金属盖板”结构敏感元件(称为“聚合物填充型”敏感元件)换能器。分别对“空气填充型”和“聚合物填充型”敏感元件换能器的有效机电耦合系数、发送电压响应和接收灵敏度进行有限元仿真和实测,结果均显示,“空气填充型”敏感元件换能器具有较高的接收灵敏度,相较于“聚合物填充型”敏感元件换能器可提高21 dB。该敏感元件换能器能有效提高灵敏度,可为研制高灵敏换能器提供参考。      

1-3型压电复合材料宽带水声换能器研究

1-3型压电复合材料换能器具有重量轻、声阻抗率低等优点,复合材料换能器带宽的拓展一般采用匹配层的方法.采用厚度振动模态理论、横向模态理论和有限元方法对1-3型压电复合材料换能器进行研究,应用ANSYS软件建立换能器的有限元模型,然后进行结构优化,最终制作了一个利用厚度振动模态和一阶横向模态的1-3型压电复合材料宽带换能...     

1-3型压电复合材料

1－3型压电复合材料是目前研究和应用得比较广泛的一种压电材料．本文简述了这种压电复合材料的理论模型、制作方法和实验结果；指出除了圆形PZT压电材料所具有的径向模和厚度模以外，1－3型压电复合材料还具有横向结构模．本文介绍了这种压电复合材料的特点，如低声阻抗、低介电常数、高静水压压电常数以及PZT相分布的可控制性等．这些特点有利于改善压电复合材料换能器的时间响应和空间响应．     

聚合物电导率对0-3型压电复合材料极化性能的影响

建立了0-3型压电复合材料的等效电学模型.分析了聚合物电导率对复合材料极化性能的影响，研究了聚苯胺改性0-3型锆钛酸铅/聚偏氟乙烯复合材料极化性能与聚合物电导率之间的关系.理论分析和实验结果均表明，提高聚合物电导率可以提高复合材料的极化性能. 关键词： 压电复合材料 电导率 极化 聚偏氟乙烯     

Ca_3NbGa_3Si_2O_(14)晶体的介电和压电特性

利用Y切和 (yxl) 30°切两种样品测量了Ca3NbGa3Si2 O1 4晶体的介电、压电和部分弹性参数 .计算了 (yxl)θ切型相关压电常数随切角的变化 .与La3Ga5SiO1 4晶体相比 ,Ca3NbGa3Si2 O1 4晶体具有更优良的压电性能 ,其压电常数d1 1=7 93× 10 - 1 2 C N ,d1 4=- 5 88× 10 - 1 2 C N .     

弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究

研制了一种弛豫铁电单晶(PMNT)二维矢量水听器,矢量通道和声压通道分别由两个正交压电单晶复合弯曲梁振子和PZT-5压电陶瓷圆管组成。基于弹性力学理论和水下质点振速测量原理对弯曲梁矢量水听器进行建模,推导给出了接收电压灵敏度表达式,分析了弯曲梁应力分布对矢量水听器接收性能的影响以及PMNT压电单晶材料与弯曲梁结构的匹配问题。在理论分析的基础上,研制了PMNT压电单晶和PZT、-5压电陶瓷矢量水听器样品并进行测试。测试结果表明:压电单晶矢量水听器与压电陶瓷矢量水听器相比,接收电压灵敏度提高11 dB,自噪声降低3 dB,测试结果与理论结果相符。