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机电换能器指一类可以在机械场和电场间进行能量交换的设备，主要用于传感、作动以及近年来提出的振动能量收集和振动抑制等。这类设备必然包含某种具有机电耦合效应的部件，可以由纯机械设计实现，例如可动极板电容、可动芯棒电感或音圈作动器等；也可以由具有机电耦合效应的智能材料实现，例如光学纤维、压电陶瓷片、压电堆或压电薄膜等。基于智能材料实现的换能器具有轻质、小型和高效的特点，是目前机电换能器相关领域的关注热点。目前，机电换能器中使用最成熟、应用最广的智能材料是植入式或粘接式的压电晶片，其优势是质量轻、机电耦合性能好以及易于加工实现等。然而，压电晶片较脆，易于断裂，难以于曲面贴合。为了突破这一限制，NASA兰利研发中心开发了压电纤维复合材料。但是，无论是压电晶片或是压电纤维复合材料，如果在使用中以粘贴或植入的方式与目标结构连接，都存在不方便拆卸、安装和维护的弱点。工程领域中只对特定弹性波具有机电耦合性能的换能器，称为“波模态换能器”。但目前尚无针对更复杂结构(如圆柱壳体等)中各种弹性波设计的波模态换能器。

本技术研究的基于压电纤维复合材料(Macro Fiber Composites)的环状波模态换能器，其特点是只与圆柱壳结构中特定弹性波产生相互作用，可用于结构健康监测、参数识别和振动抑制等领域。环状波模态换能器主要包括一对分半的柔性开口环和分布在其上的相互连接的压电纤维复合材料。通过在柔性开口环上布置几种不同的方式，使目标柱壳结构中的预定模态的弹性波(包括弯曲波、压缩波、扭转波)在通过换能器时，有一部分机械能可以与储存在压电材料的本征电容中的电势能进行相互转换，进而可以根据应用需求达对弹性波进行传感、激发和调控。本技术的优点在于： (1)机电耦合特性对弹性波具有选择性，可以从硬件层面排除多模态响应带来的信号干扰，在结构健康监测和减振降噪等领域有广泛的应用前景。 (2)通过压紧的方式连接到目标结构上，其加工制造是独立于目标结构的，且便于拆装和维护。 (3)压电纤维复合材料具有较好的贴合性，且该压电材料性能好，只需要较少的质量就可以达到预定的性能，大大降低了换能器对目标结构动力学特性的影响。

本发明公开了一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器,属于机电换能器技术领域.该装置包括一对分半的柔性开口环和分布在柔性开口环上的压电纤维复合材料.两个分半柔性开口环卡套在目标圆柱壳体的外侧,柔性开口环的两个半环完整闭合后,形成过盈配合.压电纤维复合材料在柔性开口环上的分布方式,根据不同的拉压波,弯曲波以及扭转波分别设定.拉压波和扭转波的压电纤维复合材料均为:在两个分半柔性开口环上各粘贴一整片;弯曲波的压电纤维复合材料沿周向分为均匀的数段,与弯曲波的周波数相同.本发明从硬件层面排除多模态响应带来的信号干扰,降低了换能器对目标结构动力学特性的影响,便于拆装和维护,有广泛的应用前景.

北航工研院相关研发团队，本项目已申请国家发明专利。

压电纤维复合材料在柔性开口环上的分布方式，根据不同的目标弹性波分别设定,为换能器提供机电耦合能力,电路网络将压电纤维复合材料连接起来，达到对弹性波的选择性机电耦合；所述的目标弹性波包括：拉压波，弯曲波以及扭转波；

针对拉压波，压电纤维复合材料的极化方向为径向，压电纤维复合材料的轴向长度为拉压波在测试频段中心频率处波长的一半，压电纤维复合材料沿周向不分段，在两个分半柔性开口环上各粘贴一整片；粘贴在两个分半柔性开口环上的压电复合材料并联连接，即内径处的电极连接在一起并接地，外径处的电极连接在一起作为换能器的输出端；

针对弯曲波，压电纤维复合材料的极化方向为径向，压电纤维复合材料的轴向长度为弯曲波在测试频段中心频率处轴向波长的一半，压电纤维复合材料沿周向分为均匀的数段，总分段数与弯曲波的周波数相同，每一段的覆盖角度为180除以分段数；各压电复合材料段并联连接，即内径处的电极连接在一起并接地，外径处的电极连接在一起作为换能器的输出端；

针对扭转波，压电纤维复合材料的极化方向为周向，压电纤维复合材料的轴向长度为扭转波在测试频段中心频率处波长的一半，压电纤维复合材料沿周向不分段，即在分半的柔性开口环上是一个整片；在两个分半柔性开口环的压电复合材料并联连接，即一侧处的电极连接在一起并接地，另一侧处的电极连接在一起作为换能器的输出端。

本成果可支持：技术咨询，技术转让，技术合作等模式合作。