1-1-3型压电复合材料宽带换能器

　　1-3型压电复合材料换能器具有很多优点[1]:其重量轻、易于共形、声阻抗率低、利用其制作的换能器的有效机电耦合系数高、接近于压电陶瓷相的k33.20世纪70年代末，美国宾州州立大学的Newn-ham教授首先提出了1-3型压电复合材料的概念[2]，在此基础上人们对其做了广泛的研究[3]. 同时人们对1-3型压电复合材料在水声换能器上的应用也做了很多研究工作. 美国的Thomas R.Howarth制作了尺寸为254mm×254mm×6.35mm的大面积1-3型压电复合材料换能器[4]. 美国水下作战中心的Kim C. Benjamin利用1-3型压电复合材料制作了直径为76cm的参量阵，名为USRD-82[5]. 英国的S.Cochran等人在1-3型单晶压电复合材料前加匹配层制作了带宽超过一个倍频程的水声换能器[6]. 土耳其的I.Ceren Elmash在1-3型压电复合材料前加匹配层制作了宽带、宽波束的水声换能器，该换能器可以应用于水声通信领域[7]. 韩国的ZhiTian 等人利用在1-3型压电复合材料圆管外表面加匹配层制作了宽带圆管换能器[8].

　　本文将单端激励的原理引入1-3型压电复合材料中，在此基础上提出了一种1-1-3型压电复合材料结构，并且利用有限元方法，运用大型有限元软件ANSYS 分析了1-1-3压电复合材料的频率特性和阻抗特性，利用1-1-3型压电复合材料的一阶厚度振动模态、二阶厚度振动模态和三阶厚度振动模态的耦合设计并制作了带宽为2个倍频程的1-1-3型压电复合材料宽带换能器. 从而也解决了高频换能器(频率大于100 kHz) 实现宽带发射的难点.

　　1 1-1-3型压电复合材料的概念

　　1-1-3型压电复合材料是由一维连通的压电小柱和一维连通的金属小柱平行排列于三维连通的聚合物基体中而构成的三相压电复合材料，压电小柱的极化方向与压电小柱高度方向相同. 常用的压电小柱材料有PZT4、PZT5和弛豫铁电单晶等; 常用的金属小柱材料有钢、铝和铜等; 常用的聚合物材料有环氧树脂、聚氨酯和聚亚胺酯等. 1-1-3型压电复合材料的示意图如图1所示.

　　2 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作原理

　　在两端自由的条件下，压电小柱纵向振动的基频公式为

　　式中: c为压电小柱纵向振动的声速，l为压电小柱的长度.压电小柱高阶纵向振动模态频率的公式为

　　通常，压电换能器的压电陶瓷堆之间是并联连接的，如图2所示，如果将其分为左右2个部分，其振动是同相的，也就是同时扩张或收缩，因此称图2(a)所示的激励方式为左右同相激励. 由于同相激励只能激励出位移对称的奇数阶纵向振动模态，无法激励出偶数阶模态.因此，在第2阶纵向振动模态的谐振频率处端面的位移很小，发送电压响应曲线上出现了一个很深的凹谷，如图3(a)曲线1所示.为了激励出第2阶纵向振动模态，须采用如图2(b)所示左右反相激励，其发送电压响应曲线如图3曲线2所示.如果，将2种激励叠加在一起，如图2(c)所示，其效果与图2(d)相同，相当于单端激励，此时，前三阶纵向振动模态全部被激励出来，发送电压响应如图 (b)所示，比较平坦[9].