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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