小型低频大功率发射换能器设计与实现

发布时间：2017-09-16 21:42

  本文关键词：小型低频大功率发射换能器设计与实现

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【摘要】：小型低频大功率水声发射换能器(以下简称发射换能器)是一种弯张换能器,其特点是:结合纵振发射换能器功率容量大和Ⅴ型弯张换能器结构紧凑,及新型弯张换能器cymbal小尺寸、低频的优点。有限元法被广泛地应用于结构设计和优化方面,同时计算机技术的飞速发展使有限元法已经成为行之有效的数值计算方法。本次设计选用了有限元方法,突破了以往用等效电路法设计换能器的诸多限制。运用ANSYS有限元软件可以简捷,方便的对发射换能器进行有限元分析设计。利用ANSYS软件建立了发射换能器1/8有限元三维模型,并对有限元模型进行了空气中的模态分析,研究了换能器尺寸对其谐振频率的影响。研究分析表明,可以通过分析模态改进模型,使换能器的谐振频率降低并改善其它性能。为进一步了解换能器尺寸参数对其谐振频率的影响,设计了??4L39的正交试验。同时考虑发射换能器小型化可接受的范围及耐静水压力能力,根据正交试验数据分析,选取了其中一种较优的尺寸参数进行后续设计。利用ANSYS软件的声学分析功能对发射换能器1/8有限元三维模型进行空气中和水中的谐响应分析设计。通过ANSYS软件后处理模块提取谐响应分析的工况数据,得到换能器在空气中和水中的电导纳曲线,发送电压响应级曲线。同时,研究了发射换能器的装配工艺,阐述了样机制作过程及对其声学性能的测试过程,获取了详细的声学数据。并将仿真数据与实测数据进行了比对,两者间存在一定的差异,这主要是由法兰盘与螺栓的重量及O型密封圈降低了振动传递的效率带来的。分析结果表明发射换能器的辐射性能较好。本次设计的发射换能器仿真数据为:水中谐振频率点590Hz处的发送电压响应级为130dB,-3dB带宽为120Hz,其声源级最大值不小于186dB,发射换能器辐射的声功率约为100W,已属于低频大功率范畴。发射换能器样机实测数据为:谐振频率为460Hz,发送电压响应级为118.8dB,-3dB带宽为140Hz。研究了宽带发射换能器的意义,探讨了换能器拓宽频带的几种常用方法。利用ANSYS软件建立了双激励法和匹配层法两种拓宽发射换能器的有限元模型,并对有限元模型进行了空气中和流体中的求解。
【关键词】：发射换能器 有限元分析 谐振频率
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB565.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究工作的背景与意义10
• 1.2 弯张换能器的国内外研究历史与现状10-15
• 1.2.1 弯张换能器的中早期发展10
• 1.2.2 弯张换能器的分类10-12
• 1.2.3 新型弯张换能器12-15
• 1.3 本文的主要贡献与创新15
• 1.4 本论文的结构安排15-17
• 第二章 脉动球低频辐射效率及发射换能器尺寸参数分析17-33
• 2.1 脉动球低频辐射效率分析17-19
• 2.2 弯张换能器的理论分析方法的类型19-21
• 2.2.1 等效电路法19-20
• 2.2.2 瑞利法20
• 2.2.3 有限差分法20
• 2.2.4 边界元法20
• 2.2.5 有限元法20-21
• 2.3 ANSYS软件设计换能器简介21-24
• 2.3.1 模态分析22-23
• 2.3.2 谐响应分析23
• 2.3.3 声学分析23-24
• 2.4 发射换能器有限元三维模型24-26
• 2.4.1 发射换能器设计思路24
• 2.4.2 碟形外壳材料研究24
• 2.4.3 压电陶瓷材料研究24-25
• 2.4.4 有限元三维模型的建立25-26
• 2.4.5 有限元模型材料参数的输入26
• 2.5 空气中的模态分析26-28
• 2.6 发射换能器尺寸变化对谐振频率的影响28-30
• 2.7 正交试验选取尺寸参数30-31
• 2.8 本章小结31-33
• 第三章 发射换能器声学分析设计及样机制作与测试33-52
• 3.1 模态分析33
• 3.2 空气中的谐响应分析33-34
• 3.3 流体建模与声学分析34-39
• 3.3.1 流体建模34-36
• 3.3.2 流固耦合边界条件的建立36
• 3.3.3 声学分析36-39
• 3.4 样机制作与测试39-49
• 3.4.1 样机制作39-43
• 3.4.2 发射换能器样机测量43-49
• 3.5 发射换能器样机测量值与ANSYS仿真数据的对比49-51
• 3.5.1 空气中测量值与ANSYS仿真数据的对比49-50
• 3.5.2 水中测量值与ANSYS仿真数据的对比50
• 3.5.3 测量值与ANSYS仿真数据差异性原因分析50-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第四章 宽带发射换能器声学仿真研究52-64
• 4.1 研究宽带发射换能器的意义52-53
• 4.2 换能器拓宽带宽的方法53
• 4.3 发射换能器拓宽频带仿真研究53-63
• 4.3.1 双激励拓宽频带仿真研究53-57
• 4.3.2 匹配层法拓宽频带仿真研究57-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 全文总结与展望64-67
• 5.1 全文总结64-66
• 5.2 后续工作展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-70
• 攻读工程硕士学位期间取得的成果70-71

【参考文献】

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1 蓝宇;王智元;王文芝;;弯张换能器的有限元设计[J];声学技术;2005年04期

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本文编号：865593