Ⅲ型弯张换能器的耐压性能研究

发布时间：2020-05-31 08:03

【摘要】：为了获得更远的作用距离,现代水声装备呈现出明显的向低频发展的趋势。低频段的声波在传播时具有更小的传播损失,而要获得低频声波最关键的就是研制低频发射换能器。弯张换能器是目前几类主要的低频发射换能器之一,具有体积小、重量轻、功率大等特点,比较适用于低频水声和水声对抗换能器,但由于弯张换能器内部存在空腔,一般不适用于深水工作。因此,提升弯张换能器的耐压能力是目前应关注的问题。本文以较为常见的Ⅲ型弯张换能器为研究对象,首先对空气背衬的Ⅲ型弯张换能器进行了研究,了解其结构特点,对其耐压机理进行探讨,研究了几种提升换能器耐压能力的方法,并制作样机进行对比和验证。由于Ⅲ型弯张换能器的结构较为复杂,所以本文选择了有限元法对其进行分析,先后推导出了压电弹性体矩阵形式的振动方程和流体与结构互作用问题的有限元方程,并探讨了ANSYS有限元软件在分析换能器中的应用,给出了ANSYS软件在设计换能器时的具体步骤。利用ANSYS有限元软件对空气背衬的Ⅲ型弯张换能器进行了仿真计算。研究了结构尺寸对换能器谐振频率和发送电压响应的影响。计算了换能器在空气中的阻抗特性、水中的阻抗特性以及水中的发送电压响应。最后得到了优化后的换能器样机,谐振频率1350Hz,发送电压响应132.6dB。然后,对耐压Ⅲ型弯张换能器面临的两个关键性问题进行了分析:低频大功率与耐压能力之间的矛盾、宽带发射与耐压能力之间的矛盾。把提升Ⅲ型弯张换能器的耐压能力作为本文主要解决的问题。论文分析阐述了解决Ⅲ型弯张换能器耐压问题的两种途径:一种是对换能器自身结构进行设计,增强其结构强度,提升其耐压能力。另一种是采用压力补偿手段,使换能器内外压力得到平衡,从而提高工作深度。针对换能器的耐压问题,本文提出了两种途径计四种解决方案,并分别进行了仿真计算。第一种是结构自支撑式,通过在静压力作用下对换能器进行应力分析,计算得到换能器端盖和凹形壳体连接处为应力集中部位,在壳体厚度不变的情况下,采用在端盖和壳体连接处增加圆角的方式使最大应力下降了48%,从而使结构自支撑式Ⅲ型弯张换能器对应的最大工作深度从50m提高到了95m,性能基本不变。第二种是直接溢流式,对溢流Ⅲ型弯张换能器的电声性能进行了仿真计算,并与空气背衬时的情况进行了比较,总结了直接溢流方案不可行的原因。第三种是小孔溢流式,主要目的是利用小孔与换能器内液腔产生的低通滤波作用,消除直接溢流带来的“声短路”问题;先后对小孔直径分别为1mm、2mm、3mm、6mm的小孔溢流式Ⅲ型弯张换能器进行了仿真,其中小孔直径为2mm时效果最优,换能器谐振频率为2469Hz,发送电压响应为120dB;与空气背衬的Ⅲ型弯张换能器相比,谐振频率升高了1181Hz,发送电压响应降低了12.7dB。第四种是溢流填充顺性管,通过在换能器内液腔填充具有一定压缩系数的顺性管来达到消除“声短路”和提高换能器响应的目的;首先对顺性管的结构和工作原理进行了分析,设计出了一款耐压能力超过3MPa,压缩系数为水的20倍的顺性管;在Ⅲ型弯张换能器内液腔填充6根顺性管时,仿真得到换能器的液腔谐振频率为650Hz,谐振点发送电压响应120.8dB,弯曲振动谐振频率为1950Hz,发送电压响应为126dB。根据仿真结果,对顺性管和不同工况下的Ⅲ型弯张换能器进行了加工制作和测量。经测试,空气背衬的Ⅲ型弯张换能器谐振频率为1450Hz,发送电压响应130.5dB,耐压能力小于0.7MPa。直接溢流的Ⅲ型弯张换能器出现了严重的“声短路”现象,弯曲振动模态的谐振峰消失,但在低频段出现了液腔谐振峰。小孔溢流的Ⅲ型弯张换能器虽然存在弯曲振动谐振峰,但谐振频率升高明显,响应也大幅降低。在Ⅲ型弯张换能器内液腔填充6根顺性管时,液腔振动谐振频率780Hz,谐振点发送电压响应115dB,弯曲振动谐振频率谐振频率为2000Hz,发送电压响应125.1dB,在680Hz至3000Hz频段范围内声源级大于175dB,在3MPa的静水压力下,换能器的性能基本不变,测试结果与仿真结果基本吻合。以上结果表明,通过采用溢流填充顺性管是提升Ⅲ型弯张换能器的耐压能力的有效手段。
【图文】：

源材料也可采用稀土棒组成多边形，稀土材射功率[1-3]。圆环换能器工作在呼吸模态时的2cfπa= 设备研究所研制的空气背衬的镶拼圆环换能带 5-20kHz，带内声源级≥190dB（0dB re 1振频率与周长成反比，，为了获得更低的谐振

图 1.1 TRH150 换能器拼圆环换能器设计成溢流的形式，通过径向振。图 1.2 同为上海船舶电子设备研究所研制振频率约 3kHz，圆环呼吸模态谐振频率源级≥185dB。
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB565.1

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 黄威;朱辉庆;傅寅锋;;深水换能器现状及展望[J];声学与电子工程;2015年01期

2 姚纪元;徐余;孙好广;;宽带压电圆管换能器的设计[J];声学技术;2013年S1期

3 夏铁坚;郝浩琦;;一种深水宽带换能器[J];声学技术;2012年01期

4 莫喜平;;功能材料及其应用于换能器技术的研究进展[J];物理;2009年03期

5 罗豪u&;许桂生;王评初;殷庆瑞;殷之文;;新型压电单晶与电声换能技术的发展[J];中国电子商情;2002年10期

6 罗豪u&,徐海清,殷庆瑞,王评初,贺天厚,许桂生,殷之文;新型压电单晶PMNT的生长、性能及应用[J];物理;2002年03期

7 李国荣,罗豪u&,殷庆瑞;PMN-PT驰豫铁电单晶及其超声换能器性能研究[J];无机材料学报;2001年06期

8 莫喜平;Terfenol-D鱼唇式弯张换能器[J];声学学报;2001年01期

9 栾桂冬,张金铎,朱厚卿;低频大功率发射换能器的要求及限制[J];声学技术;1999年02期

10 周利生,曹荣,唐良雨,秦维玉;多边形稀土换能器[J];声学与电子工程;1996年01期

相关硕士学位论文 前2条

1 王登攀;Ⅶ型弯张换能器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 唐斌;弛豫铁电单晶的生长及其相结构研究[D];西北工业大学;2002年

本文编号：2689551