基于超磁致伸缩材料的水声换能器研究

【摘要】：随着国家军事和海洋战略的发展，水声通信技术进入了一个新的时代。水声换能器作为电声转换系统的重要组成部分，它的性能直接决定了水声通信系统的优劣。超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，GMM）是一种新型的智能材料，它具有应变量大、能量密度大、机电耦合系数高、能量转换效率高和响应速度快等优点，是制造低频、宽带、大功率水声换能器的理想材料。本文从换能器的性能要求出发，设计了基于超磁致伸缩材料的双激励复合棒换能器，并对其结构优化进行了研究。本文的具体研究内容包括以下几点： （1）阐述了超磁致伸缩水声换能器的研究背景及意义，详细介绍了水声换能器的性能指标和宽带要求，分析影响换能器性能的因素以及实现换能器低频和宽带特性的方法；从换能器结构和材料两个方面概述了国内外的研究现状，总结了水声换能器的发展趋势。 （2）介绍了有限元法分析超磁致伸缩换能器的数理基础，对采用压电-压磁比拟法解决超磁致伸缩换能器机电耦合问题的原理进行了详细的推演，简要介绍利用ANSYS软件进行换能器有限元分析的一般过程。 （3）详细介绍低频、宽带换能器的设计思路与方法；分析不同尺寸圆筒型超磁致伸缩棒的性能，确定超磁致伸缩棒的具体尺寸参数；设计不同结构形式的前辐射头，对各自换能器进行模态分析，得到换能器前两阶模态频率的对比折线图，并对折线图进行了阐述，确定换能器前辐射头的结构，并通过仿真，对比不同尺寸参数的前辐射头对换能器性能的影响，对前辐射头进行优化设计；基于系统的集中参数模型，设计了换能器碟盘式的中间质量块，并针对不同材料的中间质量块进行仿真分析；对换能器的预紧装置和偏置磁场设计进行了简要的对比分析，最终确立了双激励超磁致伸缩复合棒换能器的整体结构。 （4）建立双激励超磁致伸缩复合棒换能器在空气中和水中的有限元模型，对其进行谐响应分析，得到换能器在空气中和水中的阻抗曲线和发射电流响应曲线，以及换能器的水中的辐射声场特性和指向性曲线；仿真结果表明换能器在工作时具有低频和宽带的特性，并且具有良好的指向性。