聲子晶體型壓電換能器的設(shè)計原理和實驗研究

本項目在研究過程中按照研究計劃逐步開展，從壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)中聲傳播的模式和能帶結(jié)構(gòu)研究出發(fā)，開展了壓電復(fù)合材料、聲學(xué)人工復(fù)合結(jié)構(gòu)等對聲傳播調(diào)控的理論和實驗研究,取得了一系列原創(chuàng)性成果。課題組目前已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物（或會議上）發(fā)表了12篇文章，其中9篇發(fā)表在Physical Review Letters, Applied Physics Letter, Smart Materials & Structures等SCI期刊上。此外，還參與編寫了英文專著的相關(guān)章節(jié)。本項目達到了預(yù)期的研究目標(biāo)。項目研究主要取得了以下幾方面的研究成果：1、壓電復(fù)合周期結(jié)構(gòu)中面外波矢即可在低頻段使面內(nèi)產(chǎn)生彈性波禁帶，從而達到抑制無效振動模式的目的。面外波矢還可控制特定彈性波模式在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的傳播。綜合利用填充率、晶格常數(shù)、面外波矢和不同電邊界條件，可達到提高相應(yīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)換能器的工作效率，調(diào)控壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)中彈性波傳播，滿足實際工程應(yīng)用所需帶寬和起始頻率的彈性波禁帶。2、反對稱式復(fù)合結(jié)構(gòu)板可作為一個模式轉(zhuǎn)換器，用于蘭姆波對稱和反對稱模式間的轉(zhuǎn)換；對稱式復(fù)合結(jié)構(gòu)板可作為一個模式選擇器，在特定頻段，只允許對稱或反對稱模式通過；兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合可實現(xiàn)蘭姆波模式的單向傳播。進而又提出了一種基于聲子晶體結(jié)構(gòu)的單向聲學(xué)波導(dǎo)模型。3、理論上提出一種新型的二維聲學(xué)人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，由常規(guī)的“雙正”參數(shù)媒質(zhì)構(gòu)成，可有效地將任意方向入射的聲波導(dǎo)引至中心區(qū)域。該理論模型簡單高效，具有極大的工作帶寬，與超吸收體相比優(yōu)勢明顯，在噪聲控制等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。4、提出了一種基于變換聲學(xué)的新的聲學(xué)隱身方法。設(shè)計的關(guān)鍵在于通過坐標(biāo)變換在被隱身物體和與其相似形狀的背景媒質(zhì)之間建立等效關(guān)系，并在被隱身物體外的空白區(qū)域填以單負材料的互補媒質(zhì)。數(shù)值結(jié)果表明，被隱身物體能接受外界信號，卻不能被外界的信號所感應(yīng)，而且用來探測和通訊的內(nèi)部信號可以發(fā)射到斗篷外。

聲子晶體作為一種新概念、新聲學(xué)功能材料，其在彈性波范圍內(nèi)的禁帶結(jié)構(gòu)和聲波局域性具有重要的理論和應(yīng)用價值。通過對其結(jié)構(gòu)和缺陷的設(shè)計，可人為調(diào)控彈性波的傳播。壓電型聲子晶體是由壓電材料嵌入聚合物基底構(gòu)成的聲子晶體型復(fù)合材料，它集合了聲子晶體和壓電聚合物兩者的特性。壓電型聲子晶體的出現(xiàn)給壓電換能器的制作帶來了全新的振子結(jié)構(gòu)和設(shè)計理念。由此產(chǎn)生的聲子晶體型壓電換能器在醫(yī)學(xué)診療和高清超聲成像等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。本項目以申請人近年有關(guān)壓電型聲子晶體的工作為基礎(chǔ)，運用聲子晶體的理論和研究方法來分析聲子晶體型壓電振子中聲傳播的特性和振動模式，并通過對壓電型聲子晶體結(jié)構(gòu)和缺陷的設(shè)計，研究聲禁帶和聲波局域性對于換能器寄生振動模式的抑制作用。同時進行PZT 聚合物構(gòu)成的聲子晶體型壓電振子樣品的設(shè)計、加工和測試工作。

《壓電換能器設(shè)計原理》是2016年武漢理工大學(xué)出版社出版的圖書，作者是王德石、張愷。

圖書簡介

在介紹壓電材料與壓電方程等基本知識的基礎(chǔ)上，以聲吶陣元、鈸式換能器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計為典型案例，論述了壓電換能器振動等效機電模型與有限元模型的建立與分析方法，并介紹了壓電超聲馬達、壓電變壓器、振動能量收集器等壓電換能器設(shè)計原理。本書可供從事機械動力學(xué)、力學(xué)與控制、微機電系統(tǒng)、聲吶等領(lǐng)域的工程設(shè)計人員、相關(guān)領(lǐng)域科研院所的科研人員與大專院校的高年級學(xué)生、研究生參考閱讀。

內(nèi)容介紹

《壓電換能器和換能器陣》(修訂版)內(nèi)容由淺入深，著重闡明壓電換能器和換能器陣的基礎(chǔ)理論，對換能器和換能器陣中所涉及的重要問題作了重點討論，并概述了發(fā)展動態(tài)。全書共十五章，第一章為引言；第二、三、四章為壓電換能器的基礎(chǔ)知識；第五、六、七、八章介紹了幾種常見的典型壓電換能器；第九章介紹壓電換能器的暫態(tài)效應(yīng)；第十章介紹同種新型換能器；第十一章討論了壓電彈性體的數(shù)值分析方法；第十二章介紹了換能器主要參數(shù)的測量方法；第十三章為換能器陣的理論基礎(chǔ)；第十四、十五章介紹了均勻和非均勻換能器陣；第十六章簡要介紹了幾種新型換能器陣。

1.探頭

壓電陶瓷超聲換能器是一種電—力—聲轉(zhuǎn)換器，是指電信號和聲信號通過材料的特性進行能量之間的相互轉(zhuǎn)換。電信號選擇是交變信號，實驗中采用的是正弦信號。實驗中采用最基本的普通直探頭進行研究。

2.等效電路圖

厚度的伸縮型振動是最常用的振動模式，它是指壓電元件沿厚度方向極化，同時它的振動方向也是沿厚度方向。選擇這種元件的條件就是元件的直徑或邊長要大于它厚度的10倍以上。