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Cymbal换能器及成阵技术研究

邢建新  
【摘要】:弯张换能器是典型的低频大功率发射器,由于具有振幅放大效应,使其在同等频率下,具有体积小、重量轻的优点。因此利用弯张换能器实现低频宽带发射已经成为国内外研究的热点。十九世纪八十年代,宾夕法尼亚州州立大学材料研究实验室研制了一种小型化的V型弯张换能器——Cymbal。因为体积小、重量轻,不仅能用作水声换能器,而且可用作压力传感器、加速度传感器等,具有广阔的应用前景。 由于弯张换能器结构比较复杂,等效电路设计方法在设计弯张换能器的时候有很多方面的限制,所以选择有限元法进行理论分析。本文采用有限元软件ANSYS对Cymbal换能器进行设计,分析了材料参数和结构参数对性能的影响,最后确定了虚拟样机的结构尺寸,得到了Cymbal换能器的空气中和水中的电声性能。 利用Cymbal换能器本文设计了一个九元平面阵,计算中将Cymbal换能器等效成圆面活塞辐射器。根据乘积定理得到指向性函数,然后从布劳兰姆波公式出发通过推导得到了阵元的互辐射阻抗的计算公式。互辐射阻抗的表达式中包含了互辐射因子,根据这个互辐射因子求得了阵的发射电压响应的理论计算公式。用MATLAB软件仿真分析了九元平面阵的性能:辐射阻抗、发射电压响应及指向性图。根据分析选择最优性能确定了样机的阵元间距,同样仿真计算了虚拟样机的性能。 根据虚拟样机的尺寸加工了元件、设计了模具,然后制作了Cymbal换能器和一个九元平面阵,并对Cymbal换能器及九元基阵的阻抗特性、发射电压响应和阵的指向性进行了测量,与计算结果进行了对比并且对后续工作提出了进一步设想。


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