宽带高灵敏水声换能器的研究

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为了提升声纳系统的探测性能,北京信息科技大学的赵吉航从扩展水声换能器带宽和提高其灵敏度两个方面出发,研制了一种“金字塔”结构的宽带高灵敏水声换能器,研究内容主要包括高灵敏压电材料和用此材料制作的换能器两部分。

在研究高灵敏压电材料方面,通过改进1-3型压电复合材料,提出了“BPM”型压电材料和“MPM”型压电材料。“BPM”型压电材料由压电陶瓷基底、压电陶瓷小柱阵列和金属盖板构成,“MPM”型压电材料由下金属盖板、压电陶瓷小柱阵列和上金属盖板构成。对上述两种压电材料,分别建立了机电等效图,并通过机电等效图求解了敏感元件的频率方程,得到了其谐振频率随几何尺寸变化的规律。同时,应用有限元仿真软件对上述两种压电材料进行仿真分析,获得了材料尺寸的优选范围。

为了从“BPM”型压电材料和“MPM”型压电材料中挑选一种用于研制“金字塔”结构的水声换能器,制备了两种类型的高灵敏压电敏感元件,并用这两种高灵敏压电材料敏感元件分别制作了“BPM”型单层敏感元件换能器和“MPM”型单层敏感元件换能器。前者的接收灵敏度峰值为-178.1dB,后者的接收灵敏峰值为-180.0dB。综合考虑两个换能器的电声性能和敏感元件制备工艺的难易程度,最终选择“BPM”型压电材料作为宽带高灵敏换能器的有源材料。

在上述研究的基础上,根据多模耦合理论设计了“金字塔”型的换能器敏感元件结构,有效的拓展了换能器的带宽。通过建立换能器的制作工艺流程,研制出了宽带高灵敏换能器样机。

对所研制的“金字塔”结构宽带高灵敏水声换能器进行性能测试,得到如下结果:发送电压响应达到182.9dB(带宽达到170kHz),接收灵敏度最高可达-173.7dB(带宽110kHz),-6dB水平波束开角为8.1°。各项性能指标较1-3型压电复合材料换均有大幅提升,实现了宽带高灵敏的研究预期目标。

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