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宽波束水声发射换能器研究

秦雷  
【摘要】: 水声信号的宽波束发射技术是水声探测、通讯中重要的关键技术之一。本文根据宽波束发射声信号的要求研究并制作了两种新型的宽波束水声发射换能器,分别为“夹心式复合变幅杆换能器”以及“叠堆球壳换能器”。夹心式复合变幅杆换能器结合了夹心式换能器的大功率容量和小尺寸活塞换能器波束宽度大的特点,因此该换能器同时兼有宽波束和高发射响应的优点。叠堆球壳换能器通过在球壳的径向引入叠堆结构,以此提高压电材料的内部电场,进而增强换能器的发送电压响应,同时该换能器又可保留球状换能器全向辐射的特点。 论文对夹心式复合变幅杆换能器进行了深入研究,应用等效电路理论分析了夹心式复合变幅杆换能器的振子振动特性,导出了换能器振子的谐振频率方程,并应用复合材料中的等效参数理论对压电晶片堆的等效参数进行了分析,得到了修正的换能器谐振频率方程。根据声波辐射理论和点源叠加理论对夹心式复合变幅杆换能器的指向性进行了理论分析,将换能器简化为有限大声障板上圆形活塞,并根据无限大声障板上圆形活塞辐射声场理论计算换能器近场半球面上的声压,通过半球面上点源辐射声场的叠加,计算换能器远场声压分布,并导出换能器远场的指向性函数。通过实验对上述理论分析进行了验证,理论与实验结果符合较好。论文还应用导出的谐振频率方程及指向性函数研究了换能器的各项结构参数对换能器性能指标的影响,找出了其中的规律,对日后设计同类换能器提供了定性和定量的参考。 论文采用有限元法,对夹心式复合变幅杆换能器进行了仿真分析。利用ANSYS软件分别对换能器在空气中和水中进行建模,并进行了模态分析和谐响应分析。对空气中模型的分析得出了换能器振子做为半波长振子的一阶固有频率与换能器发射端半径的关系;对水中模型的分析计算出了换能器在水中的发射电压响应随换能器发射端半径变化的曲线。同时还得到了换能器指向性图,并将其与理论分析结果以及实验结果进行了对比。 论文对叠堆球壳换能器同样进行了理论分析,得到了叠堆球壳换能器的谐振频率与平均半径之间的关系。对于具有平面声障板和锥形声障板的球壳换能器的辐射声场进行了理论分析,推导得到声压分布的计算公式,并通过实验对其进行了验证。 最后,论文研究了换能器的制备工艺,建立了两种换能器制备工艺流程,应用理论设计优化的结构参数,分别制备出了夹心式复合变幅杆换能器以及叠堆球壳换能器样机。论文应用换能器的电学及水声性能测试方法,对样机进行了性能测试和分析,结果表明这两类换能器同时具有宽波束和高发送电压响应的特点。


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