實驗名稱：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

實驗原理：

壓電換能器是能夠發射和接收超聲波的電聲轉換器件，按照不同的標準，換能器可分為不同的種類。按照功能可分為發射型、接收型和收發兩用型換能器。通常發射型換能器是將電場轉化為聲場，一般具有較大的輸出聲功率和較高的電聲轉換效率:而接收型換能器能夠將聲場轉化為電場的，通常具有較高的接收靈敏度和較寬的帶寬。

測試設備：信號發生器、ATA-M230高壓放大器模塊、發射換能器、接收換能器、示波器等。

實驗過程：

圖：水下超聲無線電能傳輸系統結構示意圖

水下UWET系統的結構示意圖如上圖所示，系統主要由發射端和接收端兩部分構成，并在海水介質中通過超聲波信號將兩部分耦合起來。在發射端，信號發生器提供與發射換能器諧振頻率相同的正弦波信號，經功率放大器放大后驅動發射換能器，通過逆壓電效應將高頻電信號轉換為超聲信號，并在海水介質中定向傳輸。在超聲波輻射方向上，正對著發射換能器放置與發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生機械振動，并將機械能轉化為電能，從而為接收端負載供電。通常接收換能器產生的電信號為震蕩的正弦交流電，在實際應用中黑在負載前端加入濾波、整流和穩壓電路。此外，對于能量傳輸系統而言，系統的諧振網絡匹配會影響系統的傳輸功率和效率，通過有效地諧振網絡設計，可以提高系統傳輸功率和效率。

實驗結果：

圖：不同陶瓷柱尺寸平面水聲換能器電導曲線

圖4.3所示為平面水聲換能器的電導曲線隨壓電陶瓷尺寸變化的趨勢圖在140~240kHz頻率范圍內，所有換能器均保持了壓電復合材料單一振動模態的優點，呈現明顯的厚度諧振并且無其他方向振動的干擾，同時隨著壓電陶瓷柱尺寸的增大，除諧振峰強度逐漸增強之外，其諧振頻率也呈現增大趨勢，由182.5kHz增大至190kHz。上述變化趨勢與1-3-2型壓電復合材料隨結構參數的變化趨勢相吻合。此外，與壓電復合材料相比，由其制備的換能器的諧振頻率則略低，如3mmx3mm電制備的復合材料諧振頻率為191.5kHz，而對應換能器在水介質中的諧振頻率為190kHz。這是因為在換能器中除壓電復合材料外其結構中還包含聲學匹配層、背襯層以及封裝用聚氨醋，這些結構層的存在均導致換能器共振質量增加，從而使得換能器的諧振頻率低于對應的壓電復合材料。同時，為避免壓電復合材料表面電極導致的漏電現象出現，其阻抗特性的測試需在空氣進行，而封裝后制得的換能器具有水密性，其阻抗特性測試可在水中進行。由于水的密度遠大于空氣數值，因此測試介質對換能器阻抗特性的影響同樣不可忽略，如表4.3所示，換能器在空氣中測得的諧振頻率略高于水介質。

圖：不同陶瓷柱尺寸下壓電復合材料以及空氣和水質中換能器的中聯諧振頻率

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。通過對所到的數據進行歸一化處理，在確定角偏向損失值為-3dB的前提下，對平面水聲換能器兩方向間的波束寬度進行計算，得到的平面水聲換能器的指向性數據如表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左右滿超聲無線電能傳輸對換能器小波束開角的要求。通常波束開角越小越有利于超聲能量的集中，對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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審核編輯黃宇