一种圆盘压电滤波器的研究

该文研制了一种圆盘状压电滤波器,对该滤波器的物理模型进行了理论分析和ANSYS有限元仿真分析,并通过实验确定了其输入、输出频率之间的关系。在自主设计的实验平台上进行测试,测试结果表明,该圆盘压电滤波器可根据不同频率需求滤出不同频率的信号,并无其他谐波的产生,显示了制作的圆盘压电滤波器具有良好的滤波特性。

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。

金字塔型宽带平面水声换能器的研制

针对水声通信对带宽的需求,研制了一种金字塔型宽带平面水声换能器。该换能器采用四层纯压电陶瓷块嵌套的方式,实现了带宽的拓展。采用ANSYS有限元软件对单层压电陶瓷和金字塔模型敏感元件进行仿真,得到单层陶瓷块谐振频率随元件厚度的变化规律,并根据仿真结果确定了四层压电陶瓷敏感元件的最优尺寸。将根据最优尺寸设计的四层敏感单元进行嵌套,制作成金字塔型换能器。测试结果表明,金字塔型换能器带宽达到57 kHz,最大发射电压响应为165.8 dB,接受灵敏为-180.7 dB,可以有效扩展带宽并具有很高的灵敏度。

基于水声换能器的驱动和接收电路设计

从军事潜艇通讯和民用水下通信的需求出发,制作了谐振频率150 kHz的单指向性平面水声换能器,并基于点对点通信原理设计了该换能器的发射和接收驱动电路。将该水声换能器置于水域中并接入电路实现了较远距离水下通信功能。在自主设计的实验平台上测试了该电路。测试结果表明,制作的换能器发射电压响应和灵敏度较高、指向性单一,水声通信电路具有频率可调性,通讯清晰稳定。该水声通信电路可用于军事以及民用领域通信,且便于移动和携带,易于调试。

高升压比圆盘压电变压器研究

该文研制了一种圆盘状压电变压器,并对该变压器相应的物理模型进行理论分析和ANSYS有限元仿真。通过实验确定其最佳升压比,且在自主设计的实验平台上进行测试。测试结果表明,该压电变压器在不同频率处的电压放大倍数不同,在117 kHz频率处电压放大倍数达到最大值(为134.6倍),显示了制作的圆盘状压电变压器具有较高的电压放大倍数。

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310 kHz,最大发送电压响应为188.5 dB,-3 dB带宽可达130 kHz,接收灵敏度最大可达-186.8 dB,-3 dB带宽可达90 kHz,谐振频率处-3 dB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。

基于实值运算的稀疏线阵快速波达估计

针对复值算法在计算复杂度、运算时间方面的劣势,提出一种面向稀疏线阵的实值波达估计算法。首先基于虚拟联合阵列构建协方差矩阵,分析表明其固有的centro-Hermitian结构。随后利用幺正变换将其映射至实数域内,并采用类MUSIC算法实现波达参数估计目的。数值仿真表明,由于特征分解和谱峰搜索步骤均可通过实值运算完成,所提算法在避免性能损失的同时在运算量与耗时方面具有显著优势。