【概述】

本研究中使用水聲功率放大器，搭建弛豫鐵電單晶便攜式探魚儀換能器實驗系統。近岸垂釣需求增長推動探魚儀向便攜化與高性能轉型，但傳統船用設備笨重，便攜產品普遍面臨探測距離短、帶寬窄的瓶頸，核心問題在于壓電換能器難平衡小體積與高聲學性能。弛豫鐵電單晶材料憑借高橫向壓電系數與強泊松效應，可通過TROB振動模式激發寬帶聲波，卻受限于界面耦合與陣列工藝。
 

實驗名稱：弛豫鐵電單晶便攜式探魚儀換能器全流程集成實驗

實驗目的：本研究旨在通過壓電單晶陣元設計、有限元仿真、樣機制備及性能測試，驗證所設計的弛豫鐵電單晶便攜式探魚儀換能器在體積、重量、聲源級、發射電壓響應級、接收電壓靈敏度級、工作帶寬等關鍵指標上滿足項目要求，同時驗證電阻抗匹配電路對換能器發射性能的優化效果，最終實現便攜式探魚儀換能器的小型化與高聲學性能平衡。

測試設備：阻抗分析儀、示波器、信號發生器、功率放大器（Aigtek ATA-L6）、標準水聽器、消聲水池。

實驗過程：實驗過程從弛豫鐵電單晶選材出發，基于其高泊松比壓電特性建立多物理場耦合模型，通過仿真優化晶體尺寸激發TROB雙模振動；隨后進行單晶阻抗驗證與電極制備，采用導電銀漿粘接雙晶體制備并聯陣元，集成氧化鋁陶瓷絕緣層與銅質量塊，包裹軟木抑制噪聲后灌封聚氨酯形成聲窗；針對聲源級需求，設計半波長陣列并將陣元精密粘接至鋁合金外殼槽位，通過電極線引出與環氧封閉實現輕量化封裝；最終通過水域阻抗掃描與標準水聽器測試系統量化聲學性能，發現帶寬瓶頸后創新性運用等效電路建模與史密斯圓圖匹配技術，在諧振點實現阻抗調諧，完成微型換能器高功率寬帶聲輻射的突破。

圖1實驗框圖

圖2實驗系統實拍圖

實驗結果：基于弛豫鐵電單晶的便攜式探魚儀換能器在100VRMS激勵下可實現高性能聲學輸出，最大聲源級達192.36dB，發射電壓響應級峰值152.62dB，-6dB帶寬覆蓋78kHz-134.35kHz（分數帶寬53.07%），接收電壓靈敏度最高達-181.81dB；換能器重量僅168.18g（含外殼），體積為40.03×40.03×57.03mm3，各項指標均滿足預設的便攜式設計要求，且通過電阻抗匹配電路優化后，發射電壓響應級提升至155.84dB，-6dB帶寬擴展至77.32%，驗證了其在小體積、輕量化條件下實現高聲學性能的可行性。

圖3實測換能器TVR曲線

圖4實測換能器SL

圖5添加電匹配電路前后換能器TVR曲線對比
 

安泰放大器在此應用中的產品優勢：

一、高電壓與大功率輸出能力——驅動微型陣列在激勵下實現高聲源級

二、寬頻帶與平坦響應——精準匹配工作帶寬，保障寬帶聲學性能表征

三、低失真與高輸出穩定性——保障前后對比實驗的激勵一致性
 

【推薦產品】：ATA-L系列水聲功率放大器

圖：ATA-L系列水聲功率放大器指標參數

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。西安安泰電子是專業從事功率放大器、高壓放大器、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測試儀器研發、生產和銷售的高科技企業。