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低频宽带水声换能器研究

桑永杰  
【摘要】:当前在海洋工程领域(如海底油气资源勘探)和基于声学手段的海洋环境监测领域(如海洋声层析、大洋声学测温)对低频宽带大功率换能器的需求越来越强烈;在现代水声对抗技术领域,也要求水声换能器及基阵具有低频、宽带、大功率、深水工作特性以实现主动反潜、远距离水声通信等任务。此外,舰船的辐射噪声及多数鱼群噪声也主要集中在十几赫兹到数百赫兹超低频段,进行超低频水声换能器研究对于研制舰船辐射噪声模拟器、声诱饵、干扰器等水声对抗器材也具有现实意义。本论文的研究内容为研究工作频段为20Hz-3kHz的低频宽带水声换能器的实现方式、设计方法、工作原理、制作工艺等。研究中采用了按工作频带分段设计的方法,主要内容包括两部分:(1)利用Janus纵振动换能器加Helmholtz谐振腔结构,实现工作频段为400Hz-3000Hz,最大声源级不小于200dB,工作深度不小于1000m的低频大功率深水换能器设计。在Janus-Helmholtz换能器的结构基础上提出一种多液腔Janus-Helmholtz水声换能器,用来拓展Janus-Helmholtz换能器的上限工作频率。首先,研究了Janus-Helmholtz7水声换能器的基础理论问题,如给出了Janus-Helmholtz水声换能器的等效电路、研究了Janus-Helmholtz水声换能器宽带工作的机理、Helmholtz腔壁的弹性对液腔振动的影响规律、液腔振动和Janus换能器振动之间的互辐射对Janus-Helmholtz换能器性能的影响等。其次,利用有限元方法(基于ANSYS软件)对Janus-Helmholtz水声换能器进行性能随结构参数变化规律研究,如研究了液腔开口长度、腔体壁厚及材质等几个主要结构尺寸对工作带宽、液腔谐振频率等参数的影响规律;以工作带宽为设计目标对Janus-Helmholtz水声换能器进行了结构优化设计,得到了低频、中频、高频三个虚拟样机的结构尺寸。基于Janus-Helmholtz换能器结构设计了一种多液腔Janus-Helmholtz水声换能器,进行了多液腔Janus-Helmholtz水声换能器优化设计。最后,研究了Janus-Helmholtz水声换能器的制作工艺,设计了水密方案和支撑结构,制作了低频、中频、高频三只Janus-Helmholtz水声换能器试验样机及多液腔Janus-Helmholtz水声换能器试验样机。在消声水池中进行了各频段样机的电声性能测试,试验结果显示与设计结果符合的很好。(2)基于新型磁路,对一种新型超低频电动式水声换能器进行了理论和仿真研究。新型超低频电动式水声换能器的工作频带为20Hz-500Hz,平均声源级162dB,工作深度150m。首先,基于机械振动理论和声辐射理论进行了电动式水声换能器振动及声辐射性能研究,给出了电动式水声换能器的等效电路图。其次,设计了一种双气隙磁路,基于有限元软件ANSYS进行磁路结构优化设计,着力提高振子磁路的输出力。然后,针对振子的可动部件进行优化。优化了辐射盖板的形状以增加换能器的上限工作频率;优化设计了螺旋弹簧和线圈等组件,增加新型超低频电动式水声换能器的安全可靠性和连续工作时间;设计了压力补偿系统确保能在大深度下安全工作。最后,研究了新型超低频电动式水声换能器的装配制作工艺,制作了新型超低频电动式水声换能器试验样机,在消声水池中进行了电声性能测试,试验结果显示测量结果与设计结果符合的较好。


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