大功率球形压电换能器基础理论及关键技术研究

At present, the disadvantage of low power has limited the applications of spherical transducer in long direction detection. This project will focus on the fabrication technique, via finite element modelling in the electrical field, mechanical, acoustic and thermal field to investigate the structure of transducer, establish the relationship between structure parameters and transducer acoustic performance. The optimum winding technology will be studied to obtain spherical preload layer, and establish the relationship among preload value, tensile strength of spherical ceramic and maximum input power of spherical to reveal the mechanism of preload spherical piezoelectric transducer power capacity. low temperature binder composition system and low temperature sintering technology were studied and the interface coupling mechanism was investigated. heat conduction law of spherical piezoelectric transducer under different preload layer was studied. This project will break the restriction of high-power spherical piezoelectric transducer of our country. a high-power and high reliability spherical piezoelectric transducer with our own intellectual property rights will be developed to enhance our marine omnidirectional and long distance detection capability.

海洋资源的探测和开发能力，已成为一个国家战略发展需要和综合实力的体现。针对制约我国球形压电换能器功率容量偏低的瓶颈，本项目紧密围绕球形压电换能器的关键制备技术，通过有限元仿真，在电、力、声、热四个物理耦合场下对压电陶瓷球及换能器进行结构综合设计，构建结构参数与换能器电声性能之间的相关性；研究球形预应力层的缠绕复合工艺，建立预应力参数、压电陶瓷球抗张强度与换能器最大输入电功率及声发射功率之间的相关性，揭示预应力对球形压电换能器功率容量的影响机制；探明球形压电换能器的失效机制，设计低温烧结结合剂体系，通过二次高压低温烧结，解决半球结合面应力集中、界面耦合差问题，揭示界面耦合机制；研究不同预应力层下球形压电换能器的热传导规律，阐明预应力层热传导性能对球形压电换能器功率容量及稳定性的作用机理，制备出具有我国自主知识产权的大功率、高可靠性的球形压电换能器，提升我国海洋大范围和远距离探测能力。

声纳是目前应用最为广泛的海洋探测系统，换能器则是声纳系统的核心部件。随着水下探测技术的发展，对具备大功率发射和大范围探测能力换能器的需求变得愈发迫切。.针对制约我国球形压电换能器功率容量偏低的瓶颈，本项目紧密围绕球形压电换能器的关键制备技术，利用有限元仿真，计算换能器声学特性，明确了结构参数对换能器谐振频率、工作带宽等的影响规律，确定了影响换能器声学特性的主要因素，揭示预了应力对换能器声源级等电声性能的影响。通过球形结构模型构建，建立了纤维拉力、纤维层厚等参数与球面结构径向预应力和切向预应力之间的构效关系，实现了预应力的准确预测；设计了预应力层的缠绕复合方式，发展了薄壁陶瓷球缠绕复合理论，研究了预应力对压电陶瓷球谐振频率等的影响规律，确定了预应力压电陶瓷球的最佳制备工艺参数，实现了不同直径预应力压电陶瓷球的制备。设计了低温界面结合剂组成体系，确定了陶瓷球的最佳烧结工艺，研究了低温界面结合剂与压电陶瓷球之间的界面结构，揭示了压电陶瓷球界面耦合机制，制备了一体化压电陶瓷球，大大提升了界面处的压电、介电等电学性能和力学性能。明确了温度对陶瓷球压电、介电等性能的影响规律，阐明了不同纤维对预应力层热传导性能的影响，确定了预应力层厚度与热传导性能的关系，探明了合适预应力及热传导条件下的纤维种类和预应层厚度，确定了最佳预应力层参数。研究了封装材料、预应力层等对换能器电学性能的影响，探讨了不同预应力状态下换能器的发射电压响应、指向性及声源级等，揭示了预应力对换能器性能的影响规律。.基于以上对换能器结构进行的优化，本项目所制备球形压电换能器的最大输入电功率可达2460 W，已超越国外产品水平（最大输入电功率为2000 W）。经多个用户单位应用验证，本项目所研发换能器的功率容量和耐久性均得到大幅改善，显著提升了我国某型号装备的水声对抗能力，为我国国防建设做出了积极贡献。