低频纵—径振动转换水声换能器的研究

【摘要】：海洋资源是影响世界各国发展的重要因素,而声波是进行海洋资源探测,获取水下信息的最佳载体,水声换能器则是在海洋探测中进行声信号与电信号互相转化的重要器件,它能接收水下声信号并将其转变为电信号,或者将电信号转变为声信号在水中传播,以此来获得水下目标的信息。为了设计低频声呐系统中所需要的水声换能器,最有效的方法就是通过增大换能器的体积位移来增大换能器的辐射阻,以降低其工作频率,但这种方法一般都会使换能器在制作和使用上产生较高的成本。本文根据夹心式换能器辐射功率大、性能稳定的特点,利用换能器和大尺寸金属圆管的耦合振动,给出了一种低频纵-径振动转换水声换能器的设计。该换能器利用两端夹心式换能器的纵向振动产生的能量来激发中间金属圆管的径向振动,从而使换能器不仅可以向其纵向辐射声能量,也可以向其径向辐射能量。同时,通过在金属圆管壁上开适当数目的竖直槽,以降低纵-径振动转换换能器的谐振频率。文中提出的换能器具有尺寸较小,结构及其制作工艺简单,便于安装的特点。运用等效电路法和有限元法对该换能器的谐振特性和频率响应进行了分析,具体的研究内容如下:1.运用等效电路法,根据夹心式换能器和大尺寸金属圆管耦合振动的等效电路推导了纵-径振动转换换能器的等效电路,并利用等效电路对换能器的谐振频率特性进行了分析。在忽略换能器在周围介质中辐射阻抗的条件下,计算得到了换能器在空气中的谐振频率。同时,利用有限元仿真软件COMSOL建立了纵-径振动转换换能器在空气中的三维有限元模型,计算得到了换能器的谐振频率,并通过两种计算结果的比较,验证了方法的有效性。2.为了降低纵-径振动转换换能器的谐振频率,提出了在纵-径振动转换换能器的金属圆管壁上开适当数目的竖直槽来调节振动频率的方法。应用有限元软件COMSOL,建立了开槽换能器的有限元模型,仿真得到了开槽圆管纵-径振动转换换能器在空气中的谐振频率,证明在金属圆管壁上开槽可以有效的降低换能器的谐振频率。为了实现换能器在水下声呐系统中的应用,建立开槽圆管纵-径振动转换换能器在水中的三维有限元模型,采用控制变量法,分别研究了夹心式换能器的和开槽圆管的尺寸参数对换能器的谐振频率和发射电压响应级的影响,设计了谐振频率在1000Hz以下的小体积纵-径振动转换水声换能器。3.在开槽圆管纵-径振动转换水声换能器的结构上增加若干个开槽圆管和中间激励单元,组成周期性结构的开槽圆管纵-径振动转换水声换能器。运用有限元软件仿真计算了三种周期结构开槽圆管纵-径振动转换水声换能器的谐振频率和发射电压响应级。仿真结果表明:增加一个周期结构可以有效地降低开槽圆管纵-径振动转换换能器在空气中和在水中的第一谐振频率,但随着周期数目的增加,频率减小越来越缓慢,而换能器在水中的第二谐振频率不随周期数目的变化而变化。随着周期数目的增加,换能器在水中第一谐振频率处的发射电压响应级先减小后增大,而换能器在水中第二谐振频率处的发射电压响应级呈现出单调递增的规律。这种周期结构的开槽圆管纵-径振动转换换能器在谐振频率处的发射电压响应级较高,适合单点共振发射;两个谐振峰之间的TVR较平坦,在发射功率要求不高的情况下适用于宽带发射。