寬波束水聲發(fā)射換能器研究.pdf

1、水聲信號的寬波束發(fā)射技術(shù)是水聲探測、通訊中重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文根據(jù)寬波束發(fā)射聲信號的要求研究并制作了兩種新型的寬波束水聲發(fā)射換能器，分別為“夾心式復(fù)合變幅桿換能器”以及“疊堆球殼換能器”。夾心式復(fù)合變幅桿換能器結(jié)合了夾心式換能器的大功率容量和小尺寸活塞換能器波束寬度大的特點(diǎn)，因此該換能器同時兼有寬波束和高發(fā)射響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。疊堆球殼換能器通過在球殼的徑向引入疊堆結(jié)構(gòu)，以此提高壓電材料的內(nèi)部電場，進(jìn)而增強(qiáng)換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)，同時該換能器

2、又可保留球狀換能器全向輻射的特點(diǎn)。
　　 論文對夾心式復(fù)合變幅桿換能器進(jìn)行了深入研究，應(yīng)用等效電路理論分析了夾心式復(fù)合變幅桿換能器的振子振動特性，導(dǎo)出了換能器振子的諧振頻率方程，并應(yīng)用復(fù)合材料中的等效參數(shù)理論對壓電晶片堆的等效參數(shù)進(jìn)行了分析，得到了修正的換能器諧振頻率方程。根據(jù)聲波輻射理論和點(diǎn)源疊加理論對夾心式復(fù)合變幅桿換能器的指向性進(jìn)行了理論分析，將換能器簡化為有限大聲障板上圓形活塞，并根據(jù)無限大聲障板上圓形活塞輻射聲場理論計

3、算換能器近場半球面上的聲壓，通過半球面上點(diǎn)源輻射聲場的疊加，計算換能器遠(yuǎn)場聲壓分布，并導(dǎo)出換能器遠(yuǎn)場的指向性函數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)對上述理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。論文還應(yīng)用導(dǎo)出的諧振頻率方程及指向性函數(shù)研究了換能器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對換能器性能指標(biāo)的影響，找出了其中的規(guī)律，對日后設(shè)計同類換能器提供了定性和定量的參考。
　　 論文采用有限元法，對夾心式復(fù)合變幅桿換能器進(jìn)行了仿真分析。利用ANSYS軟件分別對換能器在空氣中和水

4、中進(jìn)行建模，并進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。對空氣中模型的分析得出了換能器振子做為半波長振子的一階固有頻率與換能器發(fā)射端半徑的關(guān)系；對水中模型的分析計算出了換能器在水中的發(fā)射電壓響應(yīng)隨換能器發(fā)射端半徑變化的曲線。同時還得到了換能器指向性圖，并將其與理論分析結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。
　　 論文對疊堆球殼換能器同樣進(jìn)行了理論分析，得到了疊堆球殼換能器的諧振頻率與平均半徑之間的關(guān)系。對于具有平面聲障板和錐形聲障板的球殼換能器的輻射聲