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1. 研究目的与意义（文献综述）
随着海军在现代战争中战略地位的提高，对声纳系统提出了更高的要求。同时，声纳已成为海洋科学研究和开发海洋资源不可缺少的有力工具。声纳系统中的主要传感器是水声换能设备。由于压电换能器比其他换能器有更大的优越性，例如能量转换率高、产生和转换电的振荡信号比较方便、所产生的信号频率也易于控制等，所以现代的各种水声观测设备中最常使用的换能器就是压电换能器[1-2]。
压电换能器在它的性能和制作工艺相比其他类型的换能器有更多的优点。首先，在换能器中广泛使用压电陶瓷是由于它具有优越的机电特性，特别是有较高的且与稀土磁致伸缩材料相近的机电耦合系数。其次，压电陶瓷的介电损耗小于大多数磁致伸缩材料，这使得压电材料比磁致伸缩材料更适合于高频应用。此外，压电陶瓷是可以制成各种形状，同时具有高灵敏度，体积小，寿命长，应用前景广阔等特点。由于在实际生产中考虑到减少成本，缩短研发周期，并要求有效提高压电陶瓷换能器性能，压电换能器模拟分析成为研究热点。
西工大滕舵通过设定合理的换能器金属外壳结构参数，可以起到降低换能器的机械品质因数的效果。每当减少1克的前盖板重量，换能器的频率就可以提升20hz左右。虽然后盖板也可以影响换能器的频率，但是并没有前盖板带来的影响大[1]。吉林大学张智建立了一个简化的有限元模型，通过改变模型尺寸来观察换能器固有频率的变化，得出换能器铝壳底面厚度和半径以及侧壁厚度和高度对固有频率的影响。其中对换能器固有频率影响最小的是侧壁厚度和侧壁高度，其次是铝壳底面的厚度和底面的内径。在借鉴日本株式会社村田的专利得到改进后的模型，其衰减3db辐射角度在xz方向为50度，在yz方向为105度。浙大陈思采用ansys瞬态分析法辅助设计出一种可靠性好、灵敏度高为40mv且工作频率为200khz的气体压电超声换能器。同时说明了，影响换能器性能的敏感参数是匹配层的厚度，所以需要进行严格的控制来保证换能器的性能[3]。哈工大王鹏飞通过ansys模拟弯曲振动压电换能器的有限元模型，在经过优化后的压电换能器最大机电耦合系数为0.4259，相比优化前提高了2.23%[4]。美国弗罗里达大学wang等，用氟硼酸开发了一种无残留湿法刻蚀压电陶瓷的工艺，该蚀刻配方可用于制造各种压电换能器[5]。韩国永南大学kurniawan等，研究制作并评估了一种基于夹层压电致动器的三维超声椭圆振动换能器[6]。台湾国立交通大学goh等，通过有限元方法对非对称钹换能器的低频适用性进行了评估，并提出了一种数值方法，将压电圆盘的应变状态分解为径向共振模态的应变状态基的集合的叠加,揭示了共振模态形状与功率输出增加之间的关系[7]。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
模拟使用到有限元软件ansys。ansys是一款功能强大的模拟分析软件，可以用来模拟许多复杂的情况，使用软件分析的优点在于可以大大生产降低成本，缩短产品研制周期，提高生产效率。模拟需要用到ansys的apdl语言中的前处理、求解、后处理三大模块，预建立简化的常见压电换能器模型，并对模型进行压电、气固、流固耦合的模拟，对经过求解及后处理得到的数据进行分析，通过抛物线法找出优化方案，再将优化的方案进行带入模拟，验证其最优性。
2.2 研究目标
3. 研究计划与安排
第1—3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究模拟仿真原理。确定技术方案，并完成开题报告；
第4—6周： 按照技术方案，获取压电材料相关性能参数，对简单结构压电换能器进行模拟分析；
第7—10周：完成不同环境（水场、空气场）下压电换能器工作频率等性能指标的变化规律；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 滕舵. 水声换能器与换能器阵技术研究[d]. 西北工业大学, 2004.
[2] 莫喜平. 水声换能器研究新进展[j]. 应用声学, 2012(03):13-19.
[3] 张智. 基于有限元法的压电换能器的仿真与结构设计[d]. 吉林大学 ,2012.
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