声子晶体型压电换能器的设计原理和实验研究

本项目在研究过程中按照研究计划逐步开展，从压电复合结构中声传播的模式和能带结构研究出发，开展了压电复合材料、声学人工复合结构等对声传播调控的理论和实验研究,取得了一系列原创性成果。课题组目前已在国内外学术刊物（或会议上）发表了12篇文章，其中9篇发表在Physical Review Letters, Applied Physics Letter, Smart Materials & Structures等SCI期刊上。此外，还参与编写了英文专著的相关章节。本项目达到了预期的研究目标。项目研究主要取得了以下几方面的研究成果：1、压电复合周期结构中面外波矢即可在低频段使面内产生弹性波禁带，从而达到抑制无效振动模式的目的。面外波矢还可控制特定弹性波模式在复合结构中的传播。综合利用填充率、晶格常数、面外波矢和不同电边界条件，可达到提高相应复合结构换能器的工作效率，调控压电复合结构中弹性波传播，满足实际工程应用所需带宽和起始频率的弹性波禁带。2、反对称式复合结构板可作为一个模式转换器，用于兰姆波对称和反对称模式间的转换；对称式复合结构板可作为一个模式选择器，在特定频段，只允许对称或反对称模式通过；两种结构相结合可实现兰姆波模式的单向传播。进而又提出了一种基于声子晶体结构的单向声学波导模型。3、理论上提出一种新型的二维声学人工复合结构，由常规的“双正”参数媒质构成，可有效地将任意方向入射的声波导引至中心区域。该理论模型简单高效，具有极大的工作带宽，与超吸收体相比优势明显，在噪声控制等领域有着潜在的应用价值。4、提出了一种基于变换声学的新的声学隐身方法。设计的关键在于通过坐标变换在被隐身物体和与其相似形状的背景媒质之间建立等效关系，并在被隐身物体外的空白区域填以单负材料的互补媒质。数值结果表明，被隐身物体能接受外界信号，却不能被外界的信号所感应，而且用来探测和通讯的内部信号可以发射到斗篷外。

声子晶体作为一种新概念、新声学功能材料，其在弹性波范围内的禁带结构和声波局域性具有重要的理论和应用价值。通过对其结构和缺陷的设计，可人为调控弹性波的传播。压电型声子晶体是由压电材料嵌入聚合物基底构成的声子晶体型复合材料，它集合了声子晶体和压电聚合物两者的特性。压电型声子晶体的出现给压电换能器的制作带来了全新的振子结构和设计理念。由此产生的声子晶体型压电换能器在医学诊疗和高清超声成像等方面有着广泛的应用前景。本项目以申请人近年有关压电型声子晶体的工作为基础，运用声子晶体的理论和研究方法来分析声子晶体型压电振子中声传播的特性和振动模式，并通过对压电型声子晶体结构和缺陷的设计，研究声禁带和声波局域性对于换能器寄生振动模式的抑制作用。同时进行PZT 聚合物构成的声子晶体型压电振子样品的设计、加工和测试工作。

《压电换能器设计原理》是2016年武汉理工大学出版社出版的图书，作者是王德石、张恺。

图书简介

在介绍压电材料与压电方程等基本知识的基础上，以声呐阵元、钹式换能器的结构分析与设计为典型案例，论述了压电换能器振动等效机电模型与有限元模型的建立与分析方法，并介绍了压电超声马达、压电变压器、振动能量收集器等压电换能器设计原理。本书可供从事机械动力学、力学与控制、微机电系统、声呐等领域的工程设计人员、相关领域科研院所的科研人员与大专院校的高年级学生、研究生参考阅读。

内容介绍

《压电换能器和换能器阵》(修订版)内容由浅入深，着重阐明压电换能器和换能器阵的基础理论，对换能器和换能器阵中所涉及的重要问题作了重点讨论，并概述了发展动态。全书共十五章，第一章为引言；第二、三、四章为压电换能器的基础知识；第五、六、七、八章介绍了几种常见的典型压电换能器；第九章介绍压电换能器的暂态效应；第十章介绍同种新型换能器；第十一章讨论了压电弹性体的数值分析方法；第十二章介绍了换能器主要参数的测量方法；第十三章为换能器阵的理论基础；第十四、十五章介绍了均匀和非均匀换能器阵；第十六章简要介绍了几种新型换能器阵。

1.探头

压电陶瓷超声换能器是一种电—力—声转换器，是指电信号和声信号通过材料的特性进行能量之间的相互转换。电信号选择是交变信号，实验中采用的是正弦信号。实验中采用最基本的普通直探头进行研究。

2.等效电路图

厚度的伸缩型振动是最常用的振动模式，它是指压电元件沿厚度方向极化，同时它的振动方向也是沿厚度方向。选择这种元件的条件就是元件的直径或边长要大于它厚度的10倍以上。