压电换能器和换能器阵 修订版PDF电子书下载

第一章 引言 1

目录 1

第二章 晶体的物理性质 5

§2.1 晶体的特征 5

§2.2 晶体的宏观对称性 7

2.2.1 对称要素和对称操作 7

2.2.2 晶体的32种宏观对称型和国际符号 9

2.2.3 晶体定向和结晶符号 12

2.2.4 晶片定向标准 20

§2.3 晶体的物理性质 23

2.3.1 晶体的介电性 23

2.3.2 晶体的弹性 25

2.3.3 晶体的压电性 32

2.3.4 晶体的铁电性 35

2.3.5 压电方程 40

2.4.1 张量变换法 49

§2.4 坐标变换 49

2.4.2 矩阵变换法 56

2.4.3 任意切割晶片的电弹常数的变化 66

2.4.4 各种压电晶体的常数矩阵 68

参考文献 72

第三章 压电材料 73

§3.1 压电材料的重要参数 73

3.1.1 弹性常数、介电常数和压电常数 74

3.1.2 机电耦合系数 75

3.1.3 介质损耗因子和电学品质因数 75

3.1.4 机械损耗因子和机械品质因数 77

3.1.5 频率常数 78

3.1.6 老化率 78

3.1.7 温度稳定性和居里点 79

3.1.9 额定动态抗张强度 81

3.1.10 高静态应力对材料性能的影响 81

3.1.8 电退极化 81

§3.2 压电单晶体 84

3.2.1 压电石英晶体 84

3.2.2 铌酸锂 87

3.2.3 罗谢耳盐 88

3.2.4 磷酸二氢铵晶体 89

§3.3 压电陶瓷 89

3.3.1 钛酸钡压电陶瓷 90

3.3.2 锆钛酸铅压电陶瓷 91

3.3.3 偏铌酸铅压电陶瓷 92

3.3.4 铌酸钾钠压电陶瓷 92

3.3.5 钛酸铅压电陶瓷 92

§3.4 几种新型压电材料 96

3.4.1 压电高聚物 97

3.4.2 压电复合材料 98

3.4.3 玻璃陶瓷 99

参考文献 100

3.4.4 弛豫铁电单晶 100

第四章 压电陶瓷常用振动模的等效图 103

§4.1 集总参数模 103

4.1.1 压电陶瓷薄圆环的径向对称模 104

4.1.2 压电陶瓷薄球壳的球对称模 107

§4.2 电场垂直于长度的长度伸缩晶片 109

4.2.1 电路状态方程 110

4.2.2 机械振动方程 110

4.2.3 机电等效图 112

4.2.4 自由振动情况 112

§4.3 电场平行于波传播方向的厚度剪切晶片 114

4.3.1 电路状态方程 115

4.3.2 机械振动方程 116

4.3.3 机电等效图 117

4.3.4 自由振动情况 117

§4.4 电场平行于波传播方向的厚度伸缩晶片 118

4.5.1 电路状态方程 119

§4.5 电场平行于长度的长度伸缩晶片 119

4.5.2 机械振动方程 120

4.5.3 机电等效图 121

4.5.4 自由振动情况 121

§4.6 薄圆片的径向振动 121

4.6.1 柱坐标中的基本方程 121

4.6.2 基本方程的简化 123

4.6.3 机电等效图 124

§4.7 压电陶瓷常用振动膜的小结 126

§4.8 机电耦合系数 127

4.8.1 机电耦合系数的定义 127

4.8.2 横向机电耦合系数 128

4.8.3 厚度剪切机电耦合系数 128

4.8.4 厚度机电耦合系数 129

4.8.5 纵向机电耦合系数 129

4.8.6 平面机电耦合系数 129

§4.9 有效机电耦合系数 130

§4.10 考虑损耗的压电陶瓷常用振动模的等效图 131

4.10.1 复数压电方程 132

4.10.2 机电等效图的推导 132

4.10.3 自由振动时的等效电路 135

参考文献 136

第五章 一维复合压电换能器 138

§5.1 等截面细棒纵振动的等效机械图 138

§5.2 无限大平板剪切振动的等效机械图 139

§5.3 无限大平板纵振动的等效机械图 140

§5.4 变截面细棒纵振动的等效机械图 140

§5.5 厚度振动换能器 142

§5.6 复合棒换能器 146

5.6.1 p个晶片级联组合系统的机电等效图 148

5.6.2 喇叭形盖板的等效机械图 151

5.6.3 复合棒压电振子的机电等效图 153

5.6.4 共振频率方程 154

参考文献 155

第六章 圆柱形压电换能器 157

§6.1 压电陶瓷薄圆管的自由振动 158

6.1.1 基本方程的简化 158

6.1.2 频率方程 159

6.1.3 等效电导纳 161

§6.2 压电陶瓷圆柱形接收器的静态理论 162

6.2.1 应力函数和它的解 162

6.2.2 由边界条件定解 164

6.2.3 开路接收电压灵敏度 166

6.2.4 比较和讨论 169

参考文献 170

第七章 弯曲振动压电陶瓷换能器 172

§7.1 定义和假设 173

§7.2 运动方程 175

§7.3 边界条件 177

§7.4 换能器的能量 178

§7.5 机电等效图 181

§7.6 有效机电耦合系数 183

参考文献 183

第八章 叉指换能器 185

§8.1 工作原理和基本特性 186

§8.2 叉指换能器等效电路 188

参考文献 192

第九章 压电换能器暂态效应的分析 193

§9.1 波动方程及其解 193

§9.2 厚度模压电换能器的必要方程和边界条件 194

§9.3 压电晶片的电响应 195

9.3.1 开路响应 195

9.3.2 有限电阻抗负载的响应 198

§9.4 压电晶片的机械响应 200

§9.5 雷德伍德等效电路 202

参考文献 203

10.1.2 圆柱形PVDF水听器的结构和性能 204

10.1.1 压电高聚物PVDF的性能 204

第十章 几种新型换能器简介 204

§10.1 圆柱形PVDF水听器 204

§10.2 弯张换能器 205

10.2.1 Ⅳ型弯张换能器 205

10.2.2 Ⅳ型弯张换能器的实例 206

10.2.3 溢流式Ⅳ型弯张换能器 206

§10.3 大面积平板PVDF水听器 206

10.3.1 对水听器材料的要求 207

10.3.2 大面积平板PVDF水听器的结构设计 207

10.3.3 实验样品水听器及其性能 208

§10.4 钹式换能器 209

§10.5 弛豫铁电单晶换能器 210

§10.6 单振子发射换能器 210

参考文献 211

§11.1 有限差分法 213

11.1.1 差商、截断误差 213

第十一章 压电弹性振动体的数值分析方法 213

11.1.2 将微分方程化为差分方程 215

11.1.3 偏微分方程的差分方程的构成及求解 217

11.1.4 差分方程的收敛性 219

11.1.5 差分方程的稳定性 219

11.1.6 曲线边界的处理 220

11.1.7 薄圆片压电振子分析 223

§11.2 有限元法 225

11.2.1 线性压电弹性动力学问题的哈密顿原理 226

11.2.2 长度振动的压电晶体片形换能器分析 234

11.2.3 压电振子的有限元法振动分析 245

§11.3 有限元法和有限差分法的比较 266

§11.4 例题 267

§11.5 边界元法导引 276

附录 ANSYS软件概述 276

参考文献 278

§12.1 阻抗与等效电路的测量 280

第十二章 换能器测量 280

12.1.1 导纳圆图法 281

12.1.2 传输线路法 292

§12.2 换能器发送效率的测量 300

12.2.1 直接法 300

12.2.2 电导（电阻）法 302

§12.3 换能器指向性测量 303

12.3.1 指向性图案、波束宽度和最大旁瓣级 303

12.3.2 指向性因数和指向性指数的确定 307

§12.4 换能器自由场校准 308

12.4.1 名词术语 309

12.4.2 互易法校准 311

12.4.3 比较法校准 320

附录1 接收换能器电压耦合损失的测定 322

附录2 指向性因数、指向性指数的计算图表及公式 323

参考文献 324

§13.1 阵的指向性 326

第十三章 换能器阵的理论基础 326

§13.2 表征阵性能的参数 327

13.2.1 指向性函数 327

13.2.2 空间增益（阵增益） 336

参考文献 350

第十四章 均匀换能器阵 352

§14.1 均匀线列阵 353

14.1.1 指向性函数 353

14.1.2 指向性图的分析和指向性参量 354

14.1.3 相控阵的指向特性 359

14.1.4 宽带线列阵的功率指向性响应函数 361

14.1.5 线列阵的空间增益 362

§14.2 均匀线阵 364

14.2.1 指向性函数、指向性图 365

14.2.2 阵的指向性参量 365

14.3.1 指向性函数 366

§14.3 点源均匀圆弧阵 366

14.2.3 阵的空间增益 366

14.3.2 阵的指向性参量 368

14.3.3 空间增益 369

§14.4 点源椭圆阵 370

14.4.1 指向性函数 370

§14.5 圆形活塞阵和椭圆形活塞阵 371

14.5.1 指向性函数 371

14.5.2 指向性参量 372

14.5.3 空间增益 373

§14.6 平面环形阵 374

§14.7 矩形活塞阵 375

§14.8 球体阵和球壳阵 376

14.8.1 球体阵 376

14.8.2 球壳阵 378

13.9.2 指向性参量 380

14.9.1 指向性函数 380

§14.9 线列阵组合平面阵 380

14.9.3 空间增益 381

§14.10 线阵组合平面阵、条形阵组合平面阵、矩形阵组合平面阵 383

§14.11 线列阵组合圆弧阵和线阵组合圆弧阵 384

14.11.1 线列阵组合圆弧阵的指向性函数和指向性参量 384

14.11.2 线阵组合圆弧阵 387

参考文献 392

第十五章 非均匀换能器阵 393

§15.1 换能器阵的指向性综合 393

15.1.1 函数变换法 393

15.1.2 函数逼近法 398

15.1.3 数学规划法 405

§15.2 非均匀复合阵 410

§15.3 不等距阵 415

15.3.1 不等距阵的特点及设计方法 415

15.3.2 随机阵 416

§15.4 宽带恒定束宽阵的设计 420

15.4.1 恒定束宽线列阵的设计 421

15.4.2 恒定束宽圆弧阵的设计 431

15.4.3 任意形阵列恒定束宽阵的设计方法 431

§15.5 阵元间互辐射阻抗及其对阵指向性的影响 432

参考文献 435

第十六章 几种新型换能器阵的简介 437

§16.1 参量阵 437

16.1.1 参量发射阵的原理和指向性函数 437

16.1.2 参量接收阵的原理和指向性函数 441

§16.2 乘积阵 443

16.2.1 指向性函数为sinx/x函数的乘积阵 443

16.2.2 线列阵分裂组成的乘积阵 445

16.2.3 时间平均乘积阵 445

16.2.4 双阵元等效多阵元线列阵 448

16.2.5 双阵元等效切比雪夫束控阵 448

16.2.26 泼利哈特阵 449

§16.3 综合孔径阵 450

§16.4 自适应阵 452

16.4.1 空间固定方向上干扰信号的抑制 452

16.4.2 自适应阵——自控的空间方位滤波器 454

§16.5 声矢量换能器阵 460

16.5.1 声矢量换能器阵的指向性函数 461

16.5.2 声矢量换能器阵的空间增益 462

§16.6 拖曳线列阵 467

16.6.1 拖曳线列阵的特点 467

16.6.2 拖曳线列阵阵元随机位移对波束和测距的影响 467

16.6.3 解决拖曳线列阵左右舷目标模糊问题的一些方法 468

16.6.4 拖曳线列阵的指向性函数在浅海中的适用条件 470

§16.7 聚焦阵（聚焦探头） 471

16.7.1 凹面球形聚焦探头 471

16.7.2 电子聚焦探头 476

参考文献 477