基于ATILA的宽带超磁致伸缩纵振换能器设计

针对常用的水声换能器分析软件无法直接计算稀土超磁致伸缩换能器的问题,利用ATILA有限元软件的超磁致伸缩材料模块,直接在软件中建立模型并计算,设计了一个低频、宽带、大功率的超磁致伸缩纵振式换能器,并分析了换能器空气中的振动模态、阻抗特性及水中的发射性能.制作的换能器样机纵向振动谐振频率和前盖板弯曲振动谐振频率分别为2.5 kHz和6.6 kHz,在2～7 kHz的频带范围内,声源级不低于190 dB.同时将仿真结果与测试结果进行了比较,结果表明ATILA有限元软件的计算结果与换能器的测试结果吻合较好.     

空腔式前盖板宽带纵向换能器研究

纵向换能器实现宽带性能有较多方法,但是拓宽频带有限。为了改善宽带性能,在传统纵向复合棒换能器的基础上,通过在前盖板处开有空腔结构来产生多种振动模态,利用多模态耦合原理实现换能器更宽频带性能。利用ANSYS有限元软件对换能器进行优化设计并制作了试验样机,测量得到在4.5-14 k Hz的频带内,换能器的最大发送电压响应值为148.9 d B,响应起伏9 d B。仿真分析与实验结果表明,与传统的纵向换能器相比,空腔式前盖板纵向换能器在拓宽频带方面效果显著,达到了一个倍频程以上。     

Janus-Helmholtz水声换能器理论问题研究

为了解决Janus-Helmholtz水声换能器研究中的理论问题,通过互辐射模型时的Janus-Helmholtz水声换能器等效电路,分析了Janus换能器纵振动谐振频率在水中升高的原因;通过对Janus换能器纵振动和液腔振动的相频曲线的分析,得出了Janus-Helmholtz水声换能器宽带发射的机理,研究了腔体弹性对Helmholtz声学性能的影响规律。设计了工作频段为1~3 k Hz的Janus-Helmholtz换能器试验样机,样机的测试结果表明其振动及声学特性与理论研究结果相符。     

压电单晶双激励宽带纵向换能器

为了提高纵向换能器发射响应和工作带宽,本文以压电单晶PMNT做为有源驱动材料,采用双晶堆不同尺寸反相激励的方式,同时激发出一阶、二阶纵振模态,从而提高纵向换能器发射响应,拓宽工作频带。通过四端网络法简化换能器的等效电路并计算其发射性能,利用ANSYS软件对模型进行优化设计并制作了试验样机,最终测试数据显示在工作频带27~65 k Hz,最大发射电压响应值不低于150 d B,带内起伏小于12 d B。研究结果表明:理论计算、有限元仿真计算与实测结果基本吻合,利用双晶堆反相激励的方式可实现纵向换能器较宽频带工作。     

Cymbal单元的薄型低频宽带水声发射换能器设计

为了研究安装方便、便于携带的薄型低频发射换能器,使用有限元法对Cymbal换能器单元的设计结构进行了仿真分析,并将换能器单元的谐振频率与实际测量值进行了比较.将Cymbal换能器单元进行阵列,设计了一种新型的低于10 kHz薄板型水声发射换能器,对一个厚度为25 mm、辐射面积78.5 cm2的薄板发射换能器实验模型进行了测量与标定.研究结果表明,通过阵列Cymbal换能器单元构建的发射换能器是一种工作在10 kHz以下的薄型低频宽带水声换能器,其发射声源级比尺寸类似的1-3型压电复合材料换能器高20 dB.     

1-3型压电复合材料发射换能器研究

针对1-3型压电复合材料换能器完整模型节点数多、计算时间长,周期模型不能直接模拟换能器水中响应特性等问题,提出了应用ANSYS软件分析1-3型压电复合材料发射器的方法,并利用此方法和厚度模式理论设计了1-3型压电复合材料发射器.同时对厚度模式理论及有限元法计算结果和试验结果三者做出了对比分析.研究结果表明,所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,制作的复合材料发射换能器谐振频率为300 kHz,最大发射电压响应为178 dB,且厚度模态纯净.     

具有机械阻抗匹配器的纵向振动宽带换能器计算机辅助设计

文章论述了在压电陶瓷材料与前质量块之间以及压电陶瓷材料与后质量块之间分别放置了前机械阻抗匹配器和后机械阻抗匹配器的纵向振动换能器的特性.具有不同机械阻抗匹配器,为换能器提供了双调谐的特性.然而,通过对前、后匹配器的适当的设计能对换能器响应的调谐频率作出予报.本文计算了这种换能器的电导纳和发射电压响应表达式,为了获得所要求的宽带特性,应用计算机模拟和计算机设计来确定匹配器的适当参数值.上述换能器的数值计算结果表明,其发射电压响应的3dB带宽超过一个倍频程.并与实验结果相吻合.理论的电导纳与实验结果也大体上相一致.     

模拟海豚滴答声的仿生换能器设计

海豚回声定位信号具有宽带窄脉冲特性，能够精确分辨水中目标，为了使换能器模拟海豚发射回声定位信号，本文采用等效电路法分析了匹配层参数对换能器谐振频率和对应模态强弱的影响，并建立有限元模型进行仿真验证，同时从频域和时域对换能器展开优化设计，根据海豚回声定位信号的特点，设计了一款能模拟海豚发声的双匹配层宽带仿生换能器。该换能器工作频带为50～145 kHz,基本覆盖了海豚回声定位信号的频率范围，单个脉冲发射持续时间不超过22μs,时域波形与频谱能量分布与海豚滴答声信号一致。     

圆盘型弯张换能器研究

弯张换能器和弯曲圆盘换能器利用金属结构体的弯曲振动产生声辐射,是低频水声发射器广泛采用的结构形式.提出将两者联合的设计思想并设计研制了一种圆盘型弯张换能器,换能器结构中采用径向极化的压电陶瓷(PZT4)圆环驱动弯曲圆盘振动,圆盘的中间部分设计一个圆拱型内凹结构,其工作方式类似于V型弯张换能器的单侧振动壳,圆盘外面的环形部分采用20 mm的均匀厚度,并且加工径向槽分割成16个均匀的扇形结构.研制了换能器样品,通过ANSYS分析和水池测试得到换能器的电声性能:换能器谐振频率为1 800 Hz,最大发射电压响应为110 dB,最大声源级为170 dB,电声效率为76%.换能器样品直径210 mm,厚度46 mm,重量仅3.8 kg.结果表明:这种换能器具有低频小尺寸高效率的特点,在小型低频声纳发射系统和主动噪声控制系统方面将有良好的应用前景.     

芯片键合纵弯复合超声换能器的设计与试验

为了解决当前采用一维纵向超声加载模式进行芯片键合时造成结合面不充分的问题,设计纵弯复合超声能量加载模式的压电超声换能器,实现轴向纵振和水平弯振复合的超声振动代替传统单一的轴向振动. 采用ANSYS软件,对换能器有限元模型进行模态分析和谐响应分析,得到换能器纵振和弯振模态的谐振频率及振型. 通过调节换能器结构尺寸,实现纵振与弯振模态的简并. 采用阻抗分析仪对样机的频率和阻抗进行测试,使用激光多普勒测振仪测试换能器的纵振与弯振幅值,测试结果与有限元仿真计算结果一致,发现纵向与弯曲振幅均随着驱动电压的增加呈近似线性上升趋势, 证明设计的压电换能器实现了纵弯复合振动.