高频水声换能器匹配层技术研究

在复杂的海洋环境中,为提高对目标的探测效果以获得更多的信息,高频声呐常需要更宽的工作频带。首先,通过声透射原理对不同匹配层材料进行选取与设计;其次,通过有限元仿真对不同匹配层换能器的透射系数、电导谱和发送电压响应展开了分析计算;最后,在理论分析、解析计算和有限元仿真计算的基础上成功研制了单层、双层和三层匹配层高频宽带水声换能器,其工作频带分别为79～150 kHz, 74～163 kHz和66～176 kHz,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明：匹配层层数越多,换能器的带宽越宽,该工作为实现宽频带换能器在实际工作中的应用提供了方向。     

高频宽带换能器多匹配层研究

在水声应用中,高频换能器往往需要较宽的工作带宽,以获得更多的目标信息。文章首先建立了等效电路模型,利用粒子群算法对匹配层材料和厚度进行初步选定,使得换能器具有最宽的工作频带;其次,通过有限元方法对匹配层换能器的导纳和发射电压响应进行分析计算;最后,在理论分析的基础上成功制得三匹配层高频宽带换能器,其工作频段约为150～430 kHz,相对带宽为93%,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明,三匹配层设计方案可以有效拓宽高频换能器的工作频段。     

双激励加匹配层宽带水声换能器研究

采用双激励加匹配层来拓宽换能器的工作频带。利用有限元方法分析了双激励加匹配层换能器在空气中的振动模态,研究了这些模态在水中随几何尺寸以及匹配层材料参数变化的规律。并设计和制作了一种新型三谐振宽带换能器。与双激励或单匹配层换能器相比,增加了近一个倍频程的有效工作带宽,且频带内的响应起伏较平坦。其工作带宽为15kHz～42．5kHz．频带内发送电压响应的起伏为±3dB。     

一款宽带圆柱阵研究

圆柱阵换能器具有水平全向的优势,已广泛应用在水声探测领域。文章研究了一款宽带圆柱阵,利用匹配层技术拓宽圆柱阵阵元的带宽,通过有限元仿真优化单个换能器阵元带宽、发送电压响应和阻抗等参数。同时通过仿真以阵元错位密集方式形成圆柱阵,对阵元的个数及排列方式进行仿真优化,制作了一款宽带圆柱阵并进行了测量,圆柱阵直径为400 mm,高度为435 mm,圆柱阵的工作频段为20~30 kHz,频带内起伏3 dB,最大发送电压响应为160.5 dB,圆柱阵-3 dB水平波束宽度为360°。     

多谐振宽频带换能器

通过对传统纵振换能器增加质量块把驱动源分成两部分而形成双谐振振动系统,为了使双谐振之间响应幅值有很小的起伏,在换能器辐射面增加匹配层从而使换能器出现三谐振峰,通过对三个谐振峰的合理调整可以使换能器的通频带超过一个倍频程,根据理论分析与仿真计算设计并制做了发射电压响应大于140 dB、工作带宽21～47 kHz、Q值1.3、起伏在-3 dB以内的换能器.     

压电水声换能器宽带匹配特性研究

采用等效电路变换和多物理场有限元仿真计算进行压电水声换能器宽带匹配特性研究,得出不同匹配电路下的换能器电声性能的变化规律,合理选择电感电容值和串并联方式进行调谐匹配实现双峰谐振,一方面提高换能器的工作带宽,另一方面提高工作频率范围内的发送电压响应值并减小工作频带内响应值的起伏,依照仿真数据设计制作了一款球形换能器,采用串联电感进行调谐匹配,并测试调谐匹配前后的水中电声性能,对比匹配前后换能器性能的差异。结果表明,测试结果和仿真计算吻合,运用多物理场仿真计算手段对于预测分析水声换能器电声性能具有较好的指导意义。     

匹配层宽带换能器发射性能的有限元优化分析

对匹配层换能器拓宽频带的机理进行了分析,利用有限元优化技术对匹配层换能器的发送电压响应进行了设计,得出最佳设计参数,按此制作的换能器,测试性能与理论预测吻合较好.     

高频宽带圆管换能器研究

压电圆管换能器是水声领域中广泛应用的换能器之一,它一般采用压电圆管的径向振动模态。利用压电圆管的径向振动模态和高阶振动模态来实现圆管的宽带发射性能。采用有限元方法对圆管换能器进行了分析,利用ANSYS软件建立圆管换能器的有限元模型,并对其进行结构优化。最终所制作换能器的径向谐振频率为47.5kHz,其工作带宽为40~80kHz,发送电压响应起伏不超过±4dB,最大发送电压响应为150dB。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,换能器实现了高频、宽带、水平无指向性的发射性能。     

纵弯耦合宽带换能器设计及高静水压实验分析

利用纵振换能器的前盖板弯曲振动与其纵向振动相耦合的方式来拓宽换能器的频带．采用有限元仿真软件ANSYS对换能器进行整体分析,经过大量的仿真计算,最终优化设计出纵弯换能器,使其电导响应和发送电压响应-3dB带宽均达到了一个倍频程,同时鉴于纵弯换能器耐压性能差,对其进行高静水压下实验分析,实验证明此换能器至少可以承受8MPa的静水压力。     

基于零阶算法的矩形面宽带纵振换能器设计

传统换能器的优化一般采用试算修改的方式进行,这样的方式在待优化参数较多时不仅比较繁琐而且有可能会漏掉各参数组合下较好的设计点,对此提出了利用零阶算法进行换能器多参数联合优化设计的方法。建立了一种带宽评价函数,通过该评价函数和零阶算法尝试了对矩形面纵振换能器带宽的优化设计。经有限元仿真和样机测试表明,两款换能器的性能达到了预期指标要求,实现了宽带工作。得到的两款宽带换能器性能为:1#换能器工作频带为10~21.5 kHz,带内起伏约3 dB,发射电压响应大于134 dB;2#换能器工作频带为7.5~31.5 kHz,带内起伏约6 dB,发射电压响应大于131 dB。该方法可以作为换能器设计的一种新方式。     

一款高频弧形换能器

多波束图像声纳广泛应用于水下工程实施、浅海地貌测绘、蛙人和水雷等水下小目标的探测识别,高频弧形换能器是多波束图像声纳的重要组成部分,用于发射高频宽波束声波.通过理论公式计算了宽波束高频弧形换能器的指向性图,分析了指向性特征：主波束内存在连续的震荡起伏,震荡幅度由中心向两侧逐渐增大,在波束边缘处出现最大值,波束中心幅值比最大值减小1~2 dB左右.采用1-3型压电复合材料,研制了一款宽波束发射的高频弧形换能器,换能器谐振频率为440 kHz,最大发送电压响应为162 dB,-5 dB水平开角为107o,-3 dB垂直开角为26o,可应用于多波束图像声纳.     

自由端盖四梁凹形宽带弯张换能器设计

针对凹形弯张换能器改善低频宽带工作特性的技术需求,提出了一种自由端盖四梁凹形弯张换能器新结构。结构中将纵向振子的端部设计成弹性辅助梁,与主弯曲梁连接构成复合弯曲梁。同时为了克服弹性辅助梁对振动辐射带来的不利影响,引入了由纵向振子驱动的方形自由端盖并以此构成新的辐射端面。利用有限元软件分析了这种新结构弯张换能器的多模振动特性,模态分析表明换能器的前五阶模态是可利用的主要工作模态,频率间隔可以通过敏感结构参数进行调控。通过优化给出了一种设计方案,换能器整体几何尺寸为 140 mm×140 mm×396 mm,仿真分析了换能器在水中的导纳特性和发射电压响应曲线,结果表明：换能器最大发射电压响应大于 145 dB,发射电压响应起伏小于 6 dB的工作频带为 1.5~4.3 kHz,发射电压响应起伏小于 10 dB的工作频带为 1.5~8 kHz,具有低频宽带大功率工作特性。     

一种低旁瓣圆形活塞高频换能器研究

文章主要研究了一种低旁瓣圆形活塞高频换能器,采用去环非均匀分布方法实现低旁瓣,推导了去环非均匀圆形活塞换能器的指向性函数表达式,建立了指向性仿真模型,并采用Matlab软件进行仿真优化,对不同去环位置和不同去环宽度的圆形活塞换能器旁瓣级变化规律进行了分析,并通过添加匹配层拓展带宽。制作了一款低旁瓣圆形活塞宽带高频换能器,并进行测量。实测结果与仿真基本一致,换能器实测最大旁瓣级为-22.4 dB,较均匀圆形活塞换能器旁瓣级降低了4.8 dB,中心频率为325 kHz,-3 dB带宽为150 kHz。     

Investigation of a new wide-band transducer with piezoelectric layered ring

A type of transmitting transducer with a piezoelectric layered ring is described. It is wide band, applicable to low-frequency operation, and has horizontal nondirectivity. Theoretical analysis and structural design are both discussed. Experimental results show: (1) the flat and smooth transmitting frequency response of the experimental transducer ranges from 9 to 20 kHz with the fluctuation not exceeding +/-1 dB; (2) within this wide band the electroacoustic efficiency reaches 30%-60%; and (3) when a small signal is used as excitation, the theoretical frequency response curve coincides very well with the experimental curve.     

面剪切振动模式弛豫铁电单晶换能器

[011]极化方向、zxt-45°切型的PIN-PMT-PT单晶因其高剪切压电应变常数、高机电耦合系数和高柔顺系数等特点,在水声换能器中存在广阔的应用前景。通过设计中间质量块的方法,将单晶产生的剪切振动转换为换能器的纵向振动,并利用辐射头的弯曲振动和圆环尾质量块振动的耦合拓宽工作频带。通过有限元仿真分析,研究了结构参数对各阶模态振型和谐振频率的影响。最终仿真得到的换能器工作频带6～18 kHz,最大发送电压响应为138 dB,带内起伏小于4 dB。研究结果表明：采用面剪切工作模式有利于实现换能器低频、小尺寸、宽带发射。