低频纵—径振动转换水声换能器的研究
发布时间：2020-09-30 16:32
海洋资源是影响世界各国发展的重要因素,而声波是进行海洋资源探测,获取水下信息的最佳载体,水声换能器则是在海洋探测中进行声信号与电信号互相转化的重要器件,它能接收水下声信号并将其转变为电信号,或者将电信号转变为声信号在水中传播,以此来获得水下目标的信息。为了设计低频声呐系统中所需要的水声换能器,最有效的方法就是通过增大换能器的体积位移来增大换能器的辐射阻,以降低其工作频率,但这种方法一般都会使换能器在制作和使用上产生较高的成本。本文根据夹心式换能器辐射功率大、性能稳定的特点,利用换能器和大尺寸金属圆管的耦合振动,给出了一种低频纵-径振动转换水声换能器的设计。该换能器利用两端夹心式换能器的纵向振动产生的能量来激发中间金属圆管的径向振动,从而使换能器不仅可以向其纵向辐射声能量,也可以向其径向辐射能量。同时,通过在金属圆管壁上开适当数目的竖直槽,以降低纵-径振动转换换能器的谐振频率。文中提出的换能器具有尺寸较小,结构及其制作工艺简单,便于安装的特点。运用等效电路法和有限元法对该换能器的谐振特性和频率响应进行了分析,具体的研究内容如下:1.运用等效电路法,根据夹心式换能器和大尺寸金属圆管耦合振动的等效电路推导了纵-径振动转换换能器的等效电路,并利用等效电路对换能器的谐振频率特性进行了分析。在忽略换能器在周围介质中辐射阻抗的条件下,计算得到了换能器在空气中的谐振频率。同时,利用有限元仿真软件COMSOL建立了纵-径振动转换换能器在空气中的三维有限元模型,计算得到了换能器的谐振频率,并通过两种计算结果的比较,验证了方法的有效性。2.为了降低纵-径振动转换换能器的谐振频率,提出了在纵-径振动转换换能器的金属圆管壁上开适当数目的竖直槽来调节振动频率的方法。应用有限元软件COMSOL,建立了开槽换能器的有限元模型,仿真得到了开槽圆管纵-径振动转换换能器在空气中的谐振频率,证明在金属圆管壁上开槽可以有效的降低换能器的谐振频率。为了实现换能器在水下声呐系统中的应用,建立开槽圆管纵-径振动转换换能器在水中的三维有限元模型,采用控制变量法,分别研究了夹心式换能器的和开槽圆管的尺寸参数对换能器的谐振频率和发射电压响应级的影响,设计了谐振频率在1000Hz以下的小体积纵-径振动转换水声换能器。3.在开槽圆管纵-径振动转换水声换能器的结构上增加若干个开槽圆管和中间激励单元,组成周期性结构的开槽圆管纵-径振动转换水声换能器。运用有限元软件仿真计算了三种周期结构开槽圆管纵-径振动转换水声换能器的谐振频率和发射电压响应级。仿真结果表明:增加一个周期结构可以有效地降低开槽圆管纵-径振动转换换能器在空气中和在水中的第一谐振频率,但随着周期数目的增加,频率减小越来越缓慢,而换能器在水中的第二谐振频率不随周期数目的变化而变化。随着周期数目的增加,换能器在水中第一谐振频率处的发射电压响应级先减小后增大,而换能器在水中第二谐振频率处的发射电压响应级呈现出单调递增的规律。这种周期结构的开槽圆管纵-径振动转换换能器在谐振频率处的发射电压响应级较高,适合单点共振发射;两个谐振峰之间的TVR较平坦,在发射功率要求不高的情况下适用于宽带发射。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB565.1
【部分图文】：
对水声换能器的要求趋向于低频、小尺寸、宽带发射，在此前提下，国内外学者逡逑对低频大功率水声换能器进行了大量研究。在海洋探测中，低频主动声呐系统主逡逑要是用工作频带为１００￣〗０００Ｈｚ的水声换能器，如图１－２所示［３６］，这种低频水声换逡逑能器一般辐射阻较小，难以做到大功率、宽带发射。为了使水声换能器符合这种逡逑低频需求，最有效的方法是通过增大换能器的体积位移来增大换能器的辐射阻逡逑［８，３％３８］，但是这种方法通常会带来制作成本较高和工艺复杂等问题。逡逑为了解决水声换能器低频宽带工作和体积过大之间的矛盾，本文提出了一种逡逑纵－径振动转换水声换能器，该换能器由两个夹心式换能器和一个金属圆管组成，逡逑整体呈上下对称结构。纵－径振动转换换能器不仅可以向换能器的纵向辐射声能逡逑量，也可以向换能器的径向辐射能量，实现了水声换能器的低频发射，克服了现逡逑有技术中低频换能器尺寸较大的问题
体积小、重量轻、工作频率低等优点，在几百赫兹到几千赫兹的频率范围都有应逡逑用⑴，且单个换能器就可以实现很高的发射源级。因此在声呐浮标、水声通信、低逡逑频水下声源等方面应用极广，目前至少有七种不同类型的弯张换能器，如图１－３逡逑所示［１］。近年来，国内外学者对弯张换能器做了大量的研宄与改进【５２－５６］。逡逑ｉｎｉＶ逦凹切逦ａ逡逑ＣＬＡＳＳＩ逦逦逦邋ＣＬＡＳＳＩＶ逦＿…逦ＣＬＡＳＳＶＨ逡逑ＣＬＡＳＳ邋ＩＩＩ逦ＣＣＬＡＳＳ邋ＶＩ逡逑图１－３七种不同类型弯张换能器的结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｎ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｆｌｅｘｕｒａｌ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑２０１５年，哈工程学者提出了一种基于矩形压电陶瓷三叠片弯曲梁的组合式换逡逑能器，运用瑞利法对矩形三叠片进行了分析，并利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对换能逡逑器的性能进行分析，据此制作了一个尺寸为１５０ｍｍｘｌ３２ｍｍｘ９２ｍｍ的低频弯曲式逡逑换能器，水下工作频带为１１００Ｈｚ－１７００Ｈｚ［５８］。２０１７年，刘慧生等人用有限元法研逡逑[偭送仆焓剑郑桑尚屯湔呕荒芷鞯慕峁共问孕痴衿德屎蜕阅艿挠跋欤钪辗抡媪隋义献畲蟪叽缃鑫常叮埃恚恚欤矗埃恚恚兀保梗埃恚淼耐仆焓剑郑桑尚屯湔呕荒芷鳎没荒芷髟谒义现械牧礁鲂痴穹宸直鹞保罚耄龋停玻梗耄龋郏担梗荨ｅ义纤荒芷魇迪值推荡蠊β史⑸涞牧硪恢滞揪毒褪遣捎茫龋澹欤恚瑁铮欤簦峁
本文编号：2831081
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB565.1
【部分图文】：
对水声换能器的要求趋向于低频、小尺寸、宽带发射，在此前提下，国内外学者逡逑对低频大功率水声换能器进行了大量研究。在海洋探测中，低频主动声呐系统主逡逑要是用工作频带为１００￣〗０００Ｈｚ的水声换能器，如图１－２所示［３６］，这种低频水声换逡逑能器一般辐射阻较小，难以做到大功率、宽带发射。为了使水声换能器符合这种逡逑低频需求，最有效的方法是通过增大换能器的体积位移来增大换能器的辐射阻逡逑［８，３％３８］，但是这种方法通常会带来制作成本较高和工艺复杂等问题。逡逑为了解决水声换能器低频宽带工作和体积过大之间的矛盾，本文提出了一种逡逑纵－径振动转换水声换能器，该换能器由两个夹心式换能器和一个金属圆管组成，逡逑整体呈上下对称结构。纵－径振动转换换能器不仅可以向换能器的纵向辐射声能逡逑量，也可以向换能器的径向辐射能量，实现了水声换能器的低频发射，克服了现逡逑有技术中低频换能器尺寸较大的问题
体积小、重量轻、工作频率低等优点，在几百赫兹到几千赫兹的频率范围都有应逡逑用⑴，且单个换能器就可以实现很高的发射源级。因此在声呐浮标、水声通信、低逡逑频水下声源等方面应用极广，目前至少有七种不同类型的弯张换能器，如图１－３逡逑所示［１］。近年来，国内外学者对弯张换能器做了大量的研宄与改进【５２－５６］。逡逑ｉｎｉＶ逦凹切逦ａ逡逑ＣＬＡＳＳＩ逦逦逦邋ＣＬＡＳＳＩＶ逦＿…逦ＣＬＡＳＳＶＨ逡逑ＣＬＡＳＳ邋ＩＩＩ逦ＣＣＬＡＳＳ邋ＶＩ逡逑图１－３七种不同类型弯张换能器的结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｎ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｆｌｅｘｕｒａｌ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑２０１５年，哈工程学者提出了一种基于矩形压电陶瓷三叠片弯曲梁的组合式换逡逑能器，运用瑞利法对矩形三叠片进行了分析，并利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对换能逡逑器的性能进行分析，据此制作了一个尺寸为１５０ｍｍｘｌ３２ｍｍｘ９２ｍｍ的低频弯曲式逡逑换能器，水下工作频带为１１００Ｈｚ－１７００Ｈｚ［５８］。２０１７年，刘慧生等人用有限元法研逡逑[偭送仆焓剑郑桑尚屯湔呕荒芷鞯慕峁共问孕痴衿德屎蜕阅艿挠跋欤钪辗抡媪隋义献畲蟪叽缃鑫常叮埃恚恚欤矗埃恚恚兀保梗埃恚淼耐仆焓剑郑桑尚屯湔呕荒芷鳎没荒芷髟谒义现械牧礁鲂痴穹宸直鹞保罚耄龋停玻梗耄龋郏担梗荨ｅ义纤荒芷魇迪值推荡蠊β史⑸涞牧硪恢滞揪毒褪遣捎茫龋澹欤恚瑁铮欤簦峁
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