四邊型彎張換能器研究.pdf

1、近些年潛艇靜音技術(shù)的不斷進步促使聲納探測方式也隨之發(fā)生重大變革，主動聲納占據(jù)了越來越重要的地位，低頻、大功率水聲發(fā)射技術(shù)也因而得到了快速的發(fā)展。彎張換能器因其功率-重量比方面的出色表現(xiàn)，在低頻發(fā)射領(lǐng)域得到了廣泛應用，但彎張換能器普遍帶寬較窄，而且低頻無指向性。四邊型彎張換能器是一種特殊的彎張換能器形式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，有源材料體積利用率更高，輻射面積更大，適合作為中低頻、大功率、小尺寸水下發(fā)射聲源使用。本文的主要內(nèi)容是進行四邊型彎張

2、換能器寬帶特性以及低頻指向性的研究。
　　首先，介紹了四邊型彎張換能器的基本結(jié)構(gòu)特點、工作方式以及工作原理，并確定利用ANSYS有限元軟件進行輔助設(shè)計。在此基礎(chǔ)上提出了一種對稱式四邊型彎張換能器結(jié)構(gòu)，建立其有限元模型，對主要振動模態(tài)及其特征、空氣中及水中的電聲特性、振動位移特性、預應力及靜水壓情況進行了分析，通過優(yōu)質(zhì)因數(shù)的計算說明四邊型彎張換能器在單位體積或單位質(zhì)量下具有較高的輻射功率。之后根據(jù)對稱式四邊型彎張換能器本身的振動特性

3、，以及殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)送電壓響應的影響，總結(jié)出了單諧振峰工作時拓寬頻帶的方法，樣機計算結(jié)果表明其具有良好的寬帶發(fā)射特性。
　　根據(jù)前面的分析，隨后提出了一種形成心形指向性的新方法，并設(shè)計出具有低頻心形指向性的四邊型彎張換能器。通過非對稱輻射面和非對稱激勵振子的設(shè)計，使四邊型彎張換能器前后兩個輻射面振動位移形成強烈反差，達到單極子和偶極子的疊加效果，構(gòu)建出心形指向性，并成功避免了常規(guī)方法對于電端的復雜設(shè)計。之后，從長短振子長度比例的

4、角度分析其對指向性的影響，再從殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)與指向性和響應曲線之間的關(guān)系入手，得到了具體的變化規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果對換能器重新進行了設(shè)計，最終的樣機仿真結(jié)果顯示可以實現(xiàn)比較理想的心形指向性。
　　然后，提出了一種混合激勵寬帶四邊型彎張換能器，利用多個模態(tài)耦合的方法實現(xiàn)了換能器的寬帶特性。先對雙棒式磁路結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)磁場和動態(tài)磁場的分析，并確定了最終的磁路形式，再建立出換能器的有限元模型，討論壓電陶瓷材料和稀土材料分別單獨激勵時換能器時的

5、電聲特性，計算了兩種材料同時激勵換能器時的發(fā)送電壓響應曲線，并優(yōu)化得到最終結(jié)果。
　　最后，完成了對稱式四邊型彎張換能器和指向性四邊型彎張換能器的制作與裝配過程，并分別在空氣中和消聲水池中進行了相關(guān)特性的測試。測試結(jié)果顯示，對稱式四邊型彎張換能器樣機在2.4kHz～5kHz頻段內(nèi)，最大發(fā)送電壓響應值為140dB，響應起伏小于4dB，可以實現(xiàn)寬帶發(fā)射。指向性四邊型彎張換能器樣機水中諧振頻率為1.8kHz，并在此頻率下形成了一定的心形