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この円筒型トランスデューサは、1-3-2複合材料素子の厚み振動を利用して電気音響変換を実現し、水平方向に均一な指向性を得るように設計されています。トランスデューサの設計周波数は 74kHz です。圧電トランスデューサの共振周波数を解析および予測するために、有限要素解析ソフトウェアを使用してトランスデューサをシミュレートします。円筒配列の 8 分の 1 PZT 材料の圧電セラミック が選択されます。つまり、1 枚の 1-3-2 複合材料ストリップとバッキングがモデル化されます。複合材料のサイズはサンプルの実際のサイズとまったく同じです。バッキングの外径は60mm、パイプ肉厚は5mm、高さは15mmです。図はトランスデューサの1素子の厚み振動モードを示しており、その共振周波数は73.9kHzです。
マフラープール内の 2 つのトランスデューサーの共振性能が実験的に測定されたところ、2 つのトランスデューサーのアドミタンス曲線はほぼ同じであったため、製造プロセスは実行可能であり、サンプルの一貫性は良好でした。精密インピーダンスアナライザーで測定された円筒形圧電トランスデューサーの 1 つの水分アドミッタンス曲線が示されています。共振周波数は72kHzです。 2 つの図を比較すると、水中での測定結果がシミュレーション結果に非常に近いことがわかります。これは、円筒形トランスデューサ サンプルの振動周波数が基本的に設計要件を満たしていることを示しています。
自動音響校正システムを使用して、2 つの複合円筒形水音響トランスデューサーの送信電圧応答、受信電圧感度、指向性などの性能を測定しました。測定周波数は２０〜１００ｋＨｚとした。実験は万里の長城無線工場の音響測定センターの消音プールで行われた。 2 つのトランスデューサーの性能は類似しており、相対偏差は 5% 以内です。そのうちの1人のパフォーマンスは、 PZT41 材料の圧電ストリップ が解析用に選択されています。送信電圧応答は周波数によって変化します。最大値は139dB、3dB帯域幅は7kHzです。振動子の受信感度は周波数20～60kHzの範囲で測定され、受信電圧感度は-212です。 (起伏土壌4dB)。トランスデューサの指向性測定の結果、トランスデューサは基本的に水平 360 度の指向性を持っていますが、変動が大きいことがわかりました。これは主にトランスデューサのアレイ素子間の間隔が広すぎるためです。ピエゾ素子の放射面積が小さい。垂直指向性図は、トランスデューサの垂直方向の 3dB ビーム幅が 12 °であることを示しています。
圧電複合円筒型振動子は複合素子の厚みが10mmであり、圧電円筒の直径が70mmのときの共振周波数は約72KHzとなる。複合ピエゾ素子の厚さが減少し、シリンダーの直径が減少すると、ピエゾ素子の共振周波数は小さくなります。 圧電ディスクトランスデューサの材料 をさらに増やすことができるため、トランスデューサの直径が大きくなると、より高い共振周波数が得られ、それによって純粋な圧電性が向上します。圧電セラミックの円筒形振動子は共振周波数が高くなると体積が小さくなり、加工が難しくなります。同時に、1-3-2 複合円筒形トランスデューサは、同じ周波数の圧電セラミック円筒形トランスデューサよりも帯域幅が大きく改善され、放射電圧応答は圧電セラミックのそれに匹敵します。
圧電振動子の設計構造と製造後の構造が若干異なっており、製造プロセスの改善が必要なため、振動子の性能は予想した計算結果より若干低くなります。また、振動子アレイ素子の放射面積が小さく、各アレイ素子の振動エネルギーが円周方向に分散してしまうため、受信感度が低下してしまう。しかしながら、アレイ素子の放射面の面積を増加し、アレイ素子の厚さを減少させ、アレイ素子間の間隔を減少させることによって、トランスデューサの受信感度を改善することができ、トランスデューサの水平方向の均一性も改善することができる。
