實驗名稱：MME復(fu)合(he)材料的電致應變實驗

　　研究方向：無線(xian)(xian)通(tong)(tong)信(xin)一(yi)直是現代信(xin)息化社會中(zhong)不可或缺的(de)(de)(de)元素(su)。除了(le)商用電天(tian)線(xian)(xian)之(zhi)外(wai)，極低(di)頻（VLF）機械(xie)天(tian)線(xian)(xian)最近成為研(yan)究(jiu)熱點，因為它們(men)在(zai)有(you)(you)損(sun)導電環境(jing)中(zhong)結合了(le)小型化和(he)(he)(he)良(liang)好的(de)(de)(de)輻(fu)射(she)效(xiao)率。然而，由于輻(fu)射(she)能力和(he)(he)(he)調制帶寬相對有(you)(you)限(xian)，它們(men)的(de)(de)(de)使用受(shou)到了(le)挑戰。本研(yan)究(jiu)展示了(le)一(yi)種基(ji)于磁-機械(xie)-電（MME）效(xiao)應(ying)的(de)(de)(de)改進型高效(xiao)磁電（ME）機械(xie)天(tian)線(xian)(xian)，該天(tian)線(xian)(xian)是通(tong)(tong)過壓(ya)電驅動磁體(ti)運動和(he)(he)(he)反向磁電（ME）的(de)(de)(de)協同效(xiao)應(ying)實現的(de)(de)(de)。相反，ME系(xi)數和(he)(he)(he)輻(fu)射(she)測量(liang)表明，MME天(tian)線(xian)(xian)表現出(chu)優于普通(tong)(tong)ME天(tian)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)性能。振蕩磁體(ti)在(zai)ME復合材料之(zhi)外(wai)用作(zuo)額外(wai)的(de)(de)(de)振動磁偶極子，從(cong)而增強機械(xie)天(tian)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)輻(fu)射(she)。此(ci)外(wai)，使用VLF載波信(xin)號進行(xing)數字信(xin)號調制，以實現抗干擾和(he)(he)(he)抗衰減通(tong)(tong)信(xin)。鑒于示范性演(yan)示，基(ji)于MME效(xiao)應(ying)的(de)(de)(de)天(tian)線(xian)(xian)有(you)(you)望為機械(xie)天(tian)線(xian)(xian)改進提(ti)供新策略，并在(zai)導電環境(jing)通(tong)(tong)信(xin)應(ying)用中(zhong)顯示出(chu)巨大的(de)(de)(de)潛力。

　　值(zhi)得注意(yi)的(de)(de)是，機(ji)械天(tian)(tian)線也可以被基(ji)于(yu)壓(ya)電(dian)或磁電(dian)的(de)(de)自諧振機(ji)械結(jie)構激發(fa)，它(ta)們(men)依賴于(yu)振蕩的(de)(de)電(dian)/磁偶極子(zi)作為輻射(she)(she)源(yuan)。基(ji)于(yu)高Q值(zhi)鈮酸鋰壓(ya)電(dian)晶體棒的(de)(de)VLF發(fa)射(she)(she)器已經通過直接天(tian)(tian)線調(diao)制方(fang)法被引入，該(gai)發(fa)射(she)(she)器顯示出比同(tong)類傳統天(tian)(tian)線更高的(de)(de)輻射(she)(she)效(xiao)率(lv)。此外(wai)，使用(yong)高介電(dian)常數PZT壓(ya)電(dian)陶瓷被發(fa)現(xian)可以提高電(dian)偶極子(zi)密(mi)度并提高輻射(she)(she)效(xiao)率(lv)。這(zhe)些(xie)器件的(de)(de)高Q因(yin)數導致天(tian)(tian)線由(you)于(yu)效(xiao)率(lv)與(yu)帶寬的(de)(de)權衡而受到限制。另(ling)一方(fang)面，多(duo)鐵磁電(dian)（ME）復合材料(liao)在電(dian)磁電(dian)轉換中表現(xian)出迷人的(de)(de)現(xian)象，有望應用(yong)于(yu)包括(kuo)天(tian)(tian)線在內(nei)的(de)(de)各種功能器件。

　　在這項工作中，設計并演示了(le)一種(zhong)基于(yu)磁(ci)-機(ji)械-電（MME）效(xiao)應的(de)(de)VLF發射(she)(she)器。該系統由一個固定的(de)(de)PZT/Metglas堆棧組成，其自由端附有永(yong)磁(ci)體。已(yi)經進(jin)(jin)行(xing)了(le)ME耦合特性和電磁(ci)輻(fu)射(she)(she)特性的(de)(de)測(ce)量，然后進(jin)(jin)行(xing)了(le)模擬(ni)和數字(zi)信(xin)號傳(chuan)輸測(ce)試。實驗結果(guo)表(biao)明，尖(jian)端磁(ci)體不僅為(wei)ME復合材料提供(gong)磁(ci)偏(pian)，而且由于(yu)其振動而產生顯著(zhu)的(de)(de)電磁(ci)輻(fu)射(she)(she)增益。MME效(xiao)應引起的(de)(de)這種(zhong)輻(fu)射(she)(she)增強(qiang)有望為(wei)ME天線的(de)(de)改(gai)進(jin)(jin)提供(gong)有前途的(de)(de)策略(lve)。

　　實驗目的：使用(yong)FEA對諧振頻率的(de)阻抗依賴(lai)性進(jin)行建模，并根據經(jing)驗進(jin)行測量，以量化具有不同結構的(de)復合材料的(de)機電性能(neng)，為(wei)后續(xu)實驗做(zuo)論(lun)證和鋪(pu)墊。

　　測試設備：ATA-3090B功率放大器、信號發(fa)生器(qi)(qi)、示波器(qi)(qi)、MME天(tian)線(xian)、前置放(fang)大器(qi)(qi)

　　實驗過程：將音頻(pin)電壓信(xin)號(hao)輸入功率(lv)放大(da)器ATA-3090B，然后將放大(da)的(de)信(xin)號(hao)傳輸到(dao)MME天線。將線圈放置在距離(li)懸(xuan)臂15cm處作為接收(shou)器。接收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)被放大(da)并饋(kui)送到(dao)示波器進行觀察。當具有固定振幅(fu)不同頻(pin)率(lv)（0.5、1、3和5kHz）的(de)正(zheng)弦(xian)波的(de)MME天線時，接收(shou)信(xin)號(hao)表現出相同頻(pin)率(lv)的(de)正(zheng)弦(xian)響應。實驗過程流程圖如(ru)圖1-1。

　　圖1-1ME復合(he)材料的電致應變實驗框圖

　　實驗結果：圖(tu)1-2a分別描述了L-T模(mo)式(shi)ME復合(he)(he)材料(liao)、ME懸臂和(he)MME懸臂的(de)(de)(de)(de)輻射場(chang)強度與(yu)功耗的(de)(de)(de)(de)函(han)數(shu)關系。由于(yu)復合(he)(he)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)諧(xie)振工作頻率(lv)(lv)（分別為(wei)24.6kHz、11.32kHz和(he)11.5kHz）的(de)(de)(de)(de)遠場(chang)區(qu)域（kr>>1，k是波(bo)數(shu)，r是距離）超(chao)過2km，因(yin)此(ci)很難測(ce)試遠場(chang)輻射特性。沿縱向距離輻射源(yuan)20cm處放置(zhi)搜索(suo)線圈，天線在其諧(xie)振頻率(lv)(lv)下(xia)以(yi)(yi)500mW驅(qu)動。將從搜索(suo)線圈接收到的(de)(de)(de)(de)電壓輸出除(chu)以(yi)(yi)線圈的(de)(de)(de)(de)傳遞函(han)數(shu)，得(de)到檢測(ce)到的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)通密度。MME天線產生的(de)(de)(de)(de)輻射場(chang)強度比(bi)具有相同施加功率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)L-T模(mo)式(shi)ME復合(he)(he)材料(liao)和(he)ME懸臂強得(de)多（圖(tu)2a）。如圖(tu)1-2b所示，磁(ci)(ci)通量隨距離的(de)(de)(de)(de)增加而(er)迅速(su)減(jian)小(xiao)，而(er)在5m處可(ke)以(yi)(yi)檢測(ce)到T磁(ci)(ci)場(chang)。此(ci)外，經驗(yan)曲線擬合(he)(he)表明，測(ce)得(de)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)通量衰(shuai)減(jian)為(wei)1/r3，這與(yu)準靜態磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)(de)(de)衰(shuai)減(jian)定律非常吻合(he)(he)。

　　圖(tu)1-2ME天線的(de)輻射性能。a）在(zai)20cm處測量的(de)B場作為(wei)(wei)無應力(li)L-T模(mo)式ME層壓板(ban)、一端(duan)夾緊(jin)ME和MME懸(xuan)臂在(zai)其諧振狀態下(xia)的(de)輸入功(gong)(gong)率的(de)函數(shu)。b）在(zai)驅動(dong)電壓為(wei)(wei)20V、功(gong)(gong)率為(wei)(wei)500mW、頻率為(wei)(wei)11320Hz的(de)情(qing)況下(xia)，由(you)MME懸(xuan)臂引起的(de)B場分布(bu)與(yu)沿縱(zong)向距離的(de)函數(shu)關系。

　　圖：ATA-3090C功率放大器指標參數

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