一种宽带高灵敏水声换能器的有限元分析

针对声呐系统中微型目标探测与水下定位等应用,设计了一种宽带高灵敏度水声换能器。采用双金属板压电陶瓷柱阵列材料作为换能器敏感元件,以空气代替聚合物,并在压电陶瓷柱阵列上下表面粘接金属板,改善了材料的有效机电耦合系数,提高了换能器灵敏度;通过不同厚度敏感元件嵌套式叠加,拓展了换能器工作带宽。理论分析了双金属板压电陶瓷柱阵列材料的谐振频率;利用有限元仿真确定了敏感元件的尺寸参数与材料选择,并对由该结构敏感元件组成的换能器进行了水中仿真测试。结果表明,换能器工作带宽达到约80 kHz,最大发送电压响应为188.6 dB,-3 dB带宽约为74 kHz,最大接收灵敏度为-173.9 dB。与同尺寸的纯压电陶瓷相比,该换能器的接收灵敏度和带宽都得到有效改善。