纵振宽带水声换能器的仿真及优化

发布时间：2020-11-11 04:32

　　 随着水下探测技术的深入发展,对水声换能器的性能提出了更高新要求,小尺寸、高功率和中高频成为水声换能器新的发展方向。而对于广泛应用的纵向换能器,如何获得更宽带宽和更高的发射响应,成为了水声换能器领域研究重点之一。本文主要以纵振宽带水声换能器为研究对象,结合等效电路理论和有限元模型仿真分析两种方法,通过调整器件的结构尺寸、激励方式和外部电路,利用其纵振模态、前盖板的弯曲模态以及压电晶堆的径向振动模态耦合,实现频带拓宽的研究目标。首先,通过推导纵振换能器的等效电路,分析双激励源宽带换能器的导纳曲线,确定换能器的谐振频率,并初步确定换能器的结构尺寸。在此基础上建立换能器的有限元模型,运用ANSYS仿真软件对换能器进行模态分析和谐响应分析,获得换能器的多阶谐振频率及发射电压响应等性能参数。结果表明,在±2.7dB带宽起伏条件下,频率带宽范围为22~49kHz,最大发射响应达到143.3dB。但在大于55kHz的高频段,发射电压响应产生了较深的凹谷,起伏过大不能满足实际应用。在此基础上,利用有限元的方法对换能器的结构模型进行了优化分析,研究了结构尺寸、串联电阻以及激励方式对换能器电声特性的影响规律。结构尺寸的改变对双激励源纵振动换能器的发送电压响应有一定影响,改进后的结构具有的最大发射电压响应为143.9dB,工作范围从24.0kHz到55.5kHz,发射电压响应的最大起伏为±3.4dB。而激励方式的优化对高频段的发射响应的影响非常明显,改善了同相激励在高频段发射响应呈现凹谷的现象,进一步拓展了换能器的工作带宽,反相激励换能器的带宽为28kHz-99kHz,发送电压响应高达148.2dB,起伏为±7.5dB。最后,制作了单端激励换能器实物,并测试了空气中的导纳曲线、水中的导纳曲线、发射电压响应级以及方向性。水池实验表明:实物样机频段范围为25-61kHz,发送电压响应高达148dB,带内起伏在±6dB内。综上,本文采用纵振换能器的前晶堆反相激励的方法可以解决高频谐振频率之间的存在深凹谷的问题,有效拓展带宽,对结构尺寸的优化也能有效地降低起伏和增加带宽。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB565.1
【部分图文】：

中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文料是由压电陶瓷与聚合物按照一定的空间排列方式组合典型应用，表示压电相在 1 个方向是连通的，聚合物相 1-1 所示。相比较于 PZT，压电复合材料的声阻抗较抗匹配，厚度机电耦合系数较高，径向机电耦合系数振动模，而且具有一定韧性，方便制作成复杂的产品利于做接收器。可以通过调节压电相和聚合物相的体。总的来说，复合材料兼具 PZT 和聚合材料的优势，中发挥重要作用，也能在灵敏度高的水听器中发挥重要

复合棒式换能器也叫作夹心式换能器或者喇叭形换能器。1917 年法国的郎之P.Langevin)使用石英材料做了第一个复合棒换能器，随后的一百年中，以复合棒构为基础，进行辐射面结构的改变、匹配层的应用和有源层的创新等研究层出，各种各样的复合棒式换能器出现，在换能器领域占据着不可替代的地位。复式压电换能器通常是由前盖板、压电陶瓷晶堆、预应力螺杆和后盖板这四部分，具体如图 1-2 所示。将压电陶瓷环机械串联、电学并联子构成压电晶堆，在电上施加交变电压，压电晶堆在纵向方向上产生振动，所以也叫纵向换能器。前和后盖板的质量会影响发射声波的方向，一般后盖板采用黄铜、钢或钨等较重属，前盖板采用较轻的金属铝或非金属材料，根据动量守恒定理，形成一定的振速比，声波主要从前盖板辐射出去，而且前盖板一般设计成喇叭形增大发射，提高发射电压响应而且发射指向性图的波束开角较大。预应力螺杆将前盖板电晶堆和后盖板固定在一起，而且由于压电陶瓷的抗拉强度非常低，所以需要一定预应力，使其处于被压缩状态，提高功率极限[10,11,12]。

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1936 年 Hayes 提出弯张换能器的概念，也就是弯曲伸张换能器。1966 年 Toulis发表了Ⅳ型弯张换能器专利从而被广泛研究。弯张换能器是利用振幅放大原理，将有源材料的伸缩振动转化为壳体（或桶、梁）辐射面的更大体积位移（即更大的辐射面和振动位移）的弯曲振动。弯曲振动的谐振频率小于纵振谐振频率，壳体不仅放大了振动位移还增加了辐射面积，所以弯张换能器的特点是低频高功率。根据结构大致可分为七种，这七种又可以归纳为三种结构换能器：柱形结构弯张换能器、长型旋转体弯张换能器和扁型旋转体弯张换能器，具体如图 1-3 所示。
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本文编号：2878750