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《国防科学技术大学》 2011年
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球冠钹型换能器建模、仿真及优化设计研究

吴石林  
【摘要】:水声换能器是实现水中目标探测、跟踪、识别与定位等仪器中最基础、最重要的组成部分。为了提高对浅水域目标的探测能力,则必须降低换能器的谐振频率、拓展其工作带宽、提高其发射声功率和接收灵敏度并要减小其体积与重量。钹型换能器由于具有体积小、质量轻、制作简单、成本低且具有较高的灵敏度等优点,因而被广泛应用于水声探测领域。本文提出了一种新型结构的钹型换能器,并对其理论建模、仿真分析及优化设计技术进行了研究。 本文的主要研究工作包括以下几个部分: (1)设计了一种新型结构的压电复合换能器——球冠钹型换能器,该换能器由两个球冠形金属端帽及粘结在两端帽间的压电陶瓷薄圆片(厚度方向极化)组成。两金属端帽起机械放大作用,它们将压电陶瓷薄圆片的微小径向振动位移转换并放大为垂直其表面的较大的轴向振动位移,从而可提高换能器的发射声功率。 (2)建立了球冠钹型换能器的有关数学模型。1)基于薄壳静力学理论建立了换能器的轴向振动位移模型,并在端帽与压电陶瓷片理想结合、工作中端帽只作简单的几何变形、换能器在受力变形过程中无任何机械损耗等假设下,对位移模型进行了简化。2)基于Tresca屈服准则分析了换能器端帽的屈服条件,根据塑性流动法则,求解了端帽上的内力功与外力功,并依据机动法建立了端帽的极限载荷模型。3)从弹性薄壳振动的基本假设出发,采用扁壳振动的基本微分方程式对换能器端帽的振动进行了求解,建立了换能器轴对称振动的基波谐振频率模型。 (3)提出了一种基于正交试验理论及有限元虚拟试验相结合的球冠钹型换能器优化设计方法,并采用该方法对球冠钹型换能器的设计因素进行了优选。通过对单指标试验结果的直观分析,找出了各设计因素对换能器性能影响的主次顺序,得到了约束条件下各设计因素的最佳水平。通过对单指标试验结果的方差分析,进一步找出了各设计因素对换能器性能影响的显著程度。最后通过综合评分法对多指标试验结果进行了分析,得到了各设计因素的优水平组合。 (4)针对规则域及非规则域内球冠钹型换能器随机阵列布局问题,分别提出了基于圆Packing法和Delaunay三角化法的优化布局方法。采用最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器对球冠钹型换能器随机阵列进行了波束优化,并采用MATLAB进行了指向性仿真。结果表明,采用以上方法布局的随机阵列比同区域内的均匀线性阵和均匀平面阵具有更好的指向性。 (5)为更经济地制造出质量更高的球冠形端帽,探讨在其成形中用自由液压胀形工艺取代传统的冲压工艺,并对其胀形中的回弹问题进行了研究。采用ANSYS/LS-DYNA软件对端帽的自由胀形回弹量进行了预测,并通过非线性曲线拟合得到了可用于描述端帽自由液压胀形成形过程的数学模型。在阵列制作中,采用硅橡胶作为柔性基底材料,使其与封装用的硅橡胶属性一致,实现了较好的耦合。此外,采用柔性基底材料,使换能器封装阵列具有一定的柔性,更便于在UUV或AUV外表的曲面上贴装。 (6)采用有限元法对球冠钹型换能器的轴向振动位移、基波谐振频率及耐静压极限载荷进行了仿真,仿真结果验证了数学模型的正确性。仿真结果同时表明,在参考设计参数下,球冠钹型换能器的轴向振动位移比传统钹型换能器分别提高约4.55%(空气中)和7.78%(水中),谐振频率分别降低约4.41%(空气中)和7.86%(水中),耐压极限提高约9.42%。设计并制作了球冠钹型换能器阵元和10元等边三角阵,并对其性能进行了测试,试验结果进一步验证了数学模型的正确性,相关试验同时验证了基于圆Packing法和Delaunay三角化法实现随机阵列优化布局的有效性。 以上研究对丰富钹型换能器产品系列、拓展其应用领域和应用范围、改进其设计与制作工艺技术,加速推进钹型换能器声纳基阵的应用具有一定的参考价值和现实意义。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB565.1

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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3 李邓化,张良莹,姚熹;复合型钹式执行器的高位移性能研究[J];传感技术学报;1999年03期
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1 高翔宇;李邓化;梁爽;;基于钹式换能器的振动加速度传感器温度特性研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(2)[C];2007年
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【共引文献】
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5 周芳;郭建友;;第二类Pschl-Teller赝自旋对称势场相对论粒子的束缚态[J];安徽大学学报(自然科学版);2008年01期
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7 刘伟明;王日照;;种植密度与施肥技术对一年生盾叶薯蓣产量及效益的影响[J];安徽农业科学;2008年04期
8 王晓春;唐敏;;滇中地区洋蓟同一植株花苞营养成分差异性分析[J];安徽农业科学;2008年15期
9 吴美金;史文娟;王敏;;小麦成熟胚愈伤组织诱导条件优化的研究[J];安徽农业科学;2008年16期
10 张娟;李储东;杨华薇;;中国进口棉花数量高峰分析[J];安徽农业科学;2009年19期
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1 赵小祥;张佳佳;熊小冬;;基于AutoCAD的特征数据构建不规则三角网[A];江苏省测绘学会2011年学术年会论文集[C];2011年
2 李中强;;双壳体Ⅶ型宽带弯张换能器[A];中国声学学会水声学分会2011年全国水声学学术会议论文集[C];2011年
3 时文达;蓝宇;;一种组合激励水声换能器有限元设计[A];中国声学学会水声学分会2011年全国水声学学术会议论文集[C];2011年
4 刘振君;陈庆瑞;陈光华;张睿;;一种水下无线对讲机用宽带换能器[A];中国声学学会水声学分会2011年全国水声学学术会议论文集[C];2011年
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6 付琳;王东;王秀明;;用ANSYS分析矩形压电陶瓷振子的振动模式[A];中国声学学会第九届青年学术会议论文集[C];2011年
7 徐敏;丛健生;王秀明;;圆形活塞压电振子带通Q值的ANSYS分析[A];中国声学学会第九届青年学术会议论文集[C];2011年
8 梁莉;马旭;;轮毂型压电蠕动泵的结构设计与仿真[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
9 王洪荣;郝青;周永康;李国祥;;棕榈油脂肪酸钙制备工艺优化研究[A];中国奶业协会年会论文集2009(上册)[C];2009年
10 王考;陶俊勇;陈循;;单锤激励下气动式振动台的响应分析[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
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1 陆满君;通信辐射源个体识别与参数估计[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 陈阳;水声阵列信号处理理论及实验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 潘成亮;螺旋电极式压电驱动器及其应用研究[D];中国科学技术大学;2010年
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6 吕小俊;双曲/抛物σ-发展型方程研究[D];浙江大学;2010年
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8 徐慧峰;基于弹性波的地下管线水平导向钻随钻探测理论与技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
9 张劲;QCD求和规则与若干强子结构[D];浙江大学;2011年
10 马捷;一类散焦图像快速复原方法及其应用研究[D];吉林大学;2011年
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1 王庆牛;煤系地层三维地质建模及可视化技术研究[D];河南理工大学;2010年
2 杨冬;啁啾激光抑制等离子体参量不稳定性的研究[D];中国工程物理研究院;2009年
3 张倩;异形航空构件的专用超声换能器研制及检测应用[D];南昌航空大学;2010年
4 时博;三个不同边界条件下的Sturm-Liouville问题的迹公式[D];郑州大学;2010年
5 谭学者;水下低频隔声特性理论与实验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 管宇;一种低频三维MEMS矢量水听器的研制[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 陶新洲;基于三迭片式加速度计的二维矢量水听器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 戴旅龙;折叠盖板宽带换能器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 王建国;水声释放器硬件电路设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 李中强;高灵敏度声压水听器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
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1 李邓化;田红霞;;复合连通型压电水声换能器基阵的研究[J];北京信息科技大学学报(自然科学版);2009年04期
2 李邓化,张良莹,姚熹;复合型钹式执行器的高位移性能研究[J];传感技术学报;1999年03期
3 吴石林;张玘;黄芝平;潘仲明;;Spherical-Cymbal换能器位移特性有限元分析[J];传感技术学报;2009年01期
4 吴石林;张玘;黄芝平;;Spherical-cymbal换能器静水压性能研究[J];国防科技大学学报;2010年03期
5 郭栋,李龙土,桂治轮;陶瓷聚合物压电复合材料的最新进展[J];高分子材料科学与工程;2001年06期
6 李邓化,张良莹,姚熹;水听器用钹式压电复合物的试验研究[J];功能材料与器件学报;2000年01期
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8 郭振宇;叶敏;程博;白志峰;曹秉刚;;形状参数对Cymbal换能器发电能力的影响[J];机械科学与技术;2007年11期
9 贺西平,李斌,孙进才;Ⅶ型弯张换能器壳体振动模态的理论分析和试验研究[J];机械强度;2002年03期
10 吴石林;张玘;黄芝平;潘仲明;;钹型换能器结构演化[J];机械与电子;2009年02期
【二级参考文献】
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1 李邓化,张良莹,姚熹;复合型钹式执行器的高位移性能研究[J];传感技术学报;1999年03期
2 姜德义,郑拯宇,李林,任松;压电陶瓷片耦合振动模态的ANSYS模拟分析[J];传感技术学报;2003年04期
3 吴石林;张玘;黄芝平;潘仲明;;Spherical-Cymbal换能器位移特性有限元分析[J];传感技术学报;2009年01期
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7 佟为明,李可敬,翟国富,徐会明;SPWM电压源逆变器变压变频过程的谐波分析[J];电力电子技术;1995年03期
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10 龚跃夫,杨方;圆钣自由胀形过程的回弹分析[J];锻压技术;1995年01期
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 蒋雅娜;智能材料结构中压电元件局部脱胶损伤特性研究[D];南京航空航天大学;2004年
2 徐国政;基于子空间方法的压电智能结构振动主动控制技术研究[D];南京航空航天大学;2005年
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2 蔡志恂;高毅品;唐仁德;;250KHz多普勒计程仪二维相控基阵设计[A];2004年全国物理声学会议论文集[C];2004年
3 李红敏;苏妍;;300kHz相控式多普勒流速仪换能器基阵设计[A];中国声学学会2009年青年学术会议[CYCA’09]论文集[C];2009年
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6 蒋伟;马远良;何正耀;;声波叠加法在基阵辐射场计算以及波束合成中的应用[A];中国声学学会2005年青年学术会议[CYCA'05]论文集[C];2005年
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9 杨博;孙超;;基于声场预报的基阵波束优化理论与仿真研究[A];中国声学学会2006年全国声学学术会议论文集[C];2006年
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5 薛敬宏;声相关测速技术研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
6 郑翠娥;超短基线定位技术在水下潜器对接中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
7 陈欢;直线阵潜艇噪声源高分辨定位识别方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
8 王晓峰;成像声纳波束形成新技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
9 徐复;多途信道中被动定位技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
10 李壮;短基线定位关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2013年
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1 徐小哲;小尺度基阵空气声被动定向[D];西北工业大学;2005年
2 詹艳梅;纯方位目标运动分析方法研究[D];西北工业大学;2001年
3 张小蓟;运用信号相位匹配原理的高分辨方位估计算法的研究[D];西北工业大学;2001年
4 鄢社锋;水听器阵超增益特性及信号处理研究[D];西北工业大学;2001年
5 方尔正;潜艇缩比模型振动测量与显示研究[D];哈尔滨工程大学;2002年
6 黄益旺;基于射线理论的匹配场声源定位研究[D];哈尔滨工程大学;2002年
7 王娜;水下地貌测量系统关键技术研究[D];西北工业大学;2002年
8 王少冬;声呐波束形成技术及其DSP实现研究[D];西北工业大学;2003年
9 段剑;引信对鱼雷末弹道的修正研究[D];西北工业大学;2003年
10 卓颉;盲波束形成与目标方位估计[D];西北工业大学;2002年
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