应用案例

　　实验名称：平面水声压电换能器的制备与性能研究

　　研究方向：压电换能器

　　实验原理：

　　压电换能器是能够发射和接收超声波的电声转换器件，按照不同的标准，换能器可分为不同的种类。按照功能可分为发射型、接收型和收发两用型换能器。通常发射型换能器是将电场转化为声场，一般具有较大的输出声功率和较高的电声转换效率:而接收型换能器能够将声场转化为电场的，通常具有较高的接收灵敏度和较宽的带宽。

　　测试设备：信号发生器、ATA-M230高压放大器模块、发射换能器、接受换能器、示波器等。

　　实验过程：

图：水下超声无线电能传输系统结构示意图

　　水下UWET系统的结构示意图如上图所示，系统主要由发射端和接收端两部分构成，并在海水介质中通过超声波信号将两部分耦合起来。在发射端，信号发生器提供与发射换能器谐振频率相同的正弦波信号，经功率放大器放大后驱动发射换能器，通过逆压电效应将高频电信号转换为超声信号，并在海水介质中定向传输。在超声波辐射方向上，正对着发射换能器放置与发射端谐振频率一致的接收换能器。在接收端，由辐射到接收换能器端面的超声能量使压电材料产生机械振动，并将机械能转化为电能，从而为接收端负载供电。通常接收换能器产生的电信号为震荡的正弦交流电，在实际应用中黑在负载前端加入滤波、整流和稳压电路。此外，对于能量传输系统而言，系统的谐振网络匹配会影响系统的传输功率和效率，通过有效地谐振网络设计，可以提高系统传输功率和效率。

　　实验结果：

图：不同陶瓷柱尺寸平面水声换能器电导曲线

　　图4.3所示为平面水声换能器的电导曲线随压电陶瓷尺寸变化的趋势图在140~240kHz频率范围内，所有换能器均保持了压电复合材料单一振动模态的优点，呈现明显的厚度谐振并且无其他方向振动的干扰，同时随着压电陶瓷柱尺寸的增大，除谐振峰强度逐渐增强之外，其谐振频率也呈现增大趋势，由182.5kHz增大至190kHz。上述变化趋势与1-3-2型压电复合材料随结构参数的变化趋势相吻合。此外，与压电复合材料相比，由其制备的换能器的谐振频率则略低，如3mmx3mm电制备的复合材料谐振频率为191.5kHz，而对应换能器在水介质中的谐振频率为190kHz。这是因为在换能器中除压电复合材料外其结构中还包含声学匹配层、背衬层以及封装用聚氨醋，这些结构层的存在均导致换能器共振质量增加，从而使得换能器的谐振频率低于对应的压电复合材料。同时，为避免压电复合材料表面电极导致的漏电现象出现，其阻抗特性的测试需在空气进行，而封装后制得的换能器具有水密性，其阻抗特性测试可在水中进行。由于水的密度远大于空气数值，因此测试介质对换能器阻抗特性的影响同样不可忽略，如表4.3所示，换能器在空气中测得的谐振频率略高于水介质。

图：不同陶瓷柱尺寸下压电复合材料以及空气和水质中换能器的中联谐振频率

　　图4.5为不同压电陶瓷柱尺寸平面水声压电换能器的水平指向性图。如图所示，换能器主波束宽度较窄，主波束附近的旁瓣少且小，并且随着压电陶瓷柱尺寸的减小，主波束宽度存在变窄的趋势。通过对所到的数据进行归一化处理，在确定角偏向损失值为-3dB的前提下，对平面水声换能器两方向间的波束宽度进行计算，得到的平面水声换能器的指向性数据如表4.4所示。平面水声换能器的水平和垂直方向的0.d保持在6左右满超声无线电能传输对换能器小波束开角的要求。通常波束开角越小越有利于超声能量的集中，对提升能量传输效率和减小接收换能器的尺寸具有重要意义。

图4.5：不同压电陶瓷柱尺寸平面水声压电换能器的水平指向性图

　　安泰ATA-M230高压放大器模块：

图：ATA-M230高压放大器模块

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