用于矢量水听器的压电单晶面剪切模式加速度计设计

面剪切振动模式产生于[011]极化方向zxt-45°切型的压电单晶,因具有高压电系数、高机械品质因数、高柔顺系数和低串扰效应等优点,故面剪切模式成为小尺寸、高灵敏度压电传感器的理想选择,在矢量水听器中有着良好的应用前景。该文通过分析面剪切模式振动原理,推导了面剪切模式压电加速度计的电压灵敏度表达式。利用有限元分析软件构建面剪切加速度计模型,研究结构参数对面剪切压电加速度计电压灵敏度和谐振频率的影响规律,优化结构尺寸,最终仿真得到面剪切加速度计开路电压灵敏度为389.72 mV/g,工作频带为20 Hz~3 kHz,横向灵敏度小于3.45%。研究结果表明,与传统的剪切式加速度计相比,所设计的面剪切式加速度计在质量块质量降低50%的同时,电压灵敏度提高了11.6%,这为降低水听器的平均密度、提升水声探测性能提供了新思路。

面剪切振动模式弛豫铁电单晶换能器

[011]极化方向、zxt-45°切型的PIN-PMT-PT单晶因其高剪切压电应变常数、高机电耦合系数和高柔顺系数等特点,在水声换能器中存在广阔的应用前景。通过设计中间质量块的方法,将单晶产生的剪切振动转换为换能器的纵向振动,并利用辐射头的弯曲振动和圆环尾质量块振动的耦合拓宽工作频带。通过有限元仿真分析,研究了结构参数对各阶模态振型和谐振频率的影响。最终仿真得到的换能器工作频带6~18 kHz,最大发送电压响应为138 dB,带内起伏小于4 dB。研究结果表明:采用面剪切工作模式有利于实现换能器低频、小尺寸、宽带发射。