宽带水声发射系统换能器分段匹配方法研究

换能器与功率放大器之间的匹配网络设计是宽带大功率水声发射系统的关键技术之一。把水声换能器、功率放大器及其联系两者的匹配网络视为一整体,从系统的观点出发,提出了一种分频段匹配宽带水声换能器的处理方法。通过对水声换能器的导纳特性和发射电压响应的分析,合理地选择匹配网络参数。该方法能充分发挥换能器在不同频段中的特性,实现水声发射系统的宽频带工作。水池实验验证了该方案的有效性:在2~16 kHz带宽范围内,发射电压响应级起伏ΔTVR和发射声源级起伏ΔSL均得到改善,尤其在感兴趣的4~15 kHz的宽带范围内,功率因数得到显著改善,功放管耗明显降低,发射电压响应级起伏ΔTVR从21 dB降到14 dB,发射电压声源级起伏ΔSL从24 dB降到7 dB,但对功放的安全保护电路提出了更高的要求。     

溢流式嵌镶圆管发射换能器的有限元分析

溢流式嵌镶圆管水声换能器是一种有效的低频宽带发射器，一般存在2种可供利用的谐振方式，即溢流环的液腔谐振和嵌镶圆管的径向谐振。本文首先应用解析的方法获得2种谐振的频率方程，然后应用有限元法建立了一个对称结构的溢流式嵌镶圆管换能器模型，通过ANSYS软件分析换能器的振动情况和响应曲线，并与解析法进行了对比。根据设计制作了溢流环换能器样件，并通过了相应的消声水池试验，试验结果表明，有限元模型计算准确且快捷，显示直观，其谐振频率设计误差可控制在5％以内。最终制作的换能器拥有2．35kHz的液腔谐振频率和6．4kHz的径向谐振频率，最大发射电压响应级为141．97dB，其径向谐振的-6dB带宽为3．9-9．4kHz，可提供全频段的发射带宽（包括液腔谐振在内）为2．1～10kHz±4dB。     

双激励宽带水声换能器理论研究

如何有效提高水声换能器的工作带宽一直是水声界关注的热点，本文从理论上探讨了一种拓展水声换能器带宽的方法，对该类型水声换能器带宽影响较大的因素进行了详细的分析。仿真结果表明，通过调整中间质量块和后质量块的材料与尺寸可以有效地改善换能器的发射电压响应带宽。比较了有限元方法与传统一维（1D）等效电路方法，结果表明，传统1D等效电路方法也可以用来设计这种换能器，同时给出了设计该型宽带换能器的规律，对换能器设计人员有一定的参考价值。     

宽频带水下导引系统的水声传感器设计

对适用于水下武器导引系统的水声传感器频带展宽问题进行了讨论。采用Tonpilz型纵向振动压电水声换能器作为传感器阵的基本单元，在设计上将压电晶堆激励的纵向振动与辐射面的弯曲振动模态综合考虑，改善了换能器的声辐射和接收频率响应特性，实现了高空间增益和△f≥10．0kHz的宽带特性。     

匹配层水声宽带换能器性能分析

为了提高现代鱼雷的作战性能,适应复杂环境,研制了宽带白导系统,旨在提高声纳基阵的整体性能.本文采用了有限元分析方法,借助ANSYS软件设计了匹配层水声宽带换能器,通过调整匹配层的声速、密度及厚度,分析了该类换能器的性能,包括换能器谐振频率、发送电压响应、自由场电压接收灵敏度以及收发频带宽度等,并对其结构进行了优化.研制了匹配层水声宽带换能器并进行了水池试验,对比分析了理论设计与试验结果,其测试结果与计算结果具有较好的一致性.本文研究可为声纳基阵设计提供借鉴.     

某型拖曳接收换能器的改进研究

为提高拖曳接收换能器的灵敏度,对该换能器的性能进行改进研究。对拖曳接收换能器的电声性能进行有限元仿真,将原拖曳接收换能器内有机玻璃盖板替换为铜质盖板及在压电陶瓷圆管内增加软木橡胶背衬,并对改进前后的性能进行对比分析。结果表明,改进后的拖曳接收换能器的灵敏度起伏在4 dB以内,且指向性特性没有明显变化。通过改进设计后,能大幅减小换能器的灵敏度起伏,可简化后级处理电路,同时提高系统的动态范围。     

3种辐射头水声宽带换能器设计及布阵技术应用

为了充分利用声纳的布阵空间,增加辐射面积,从而提高声纳基阵的整体性能,采用了有限元分析方法,借助ANSYS软件设计了圆形、方形和六边形辐射头水声宽带换能器.在辐射面积、压电元件和长度等要素相同的条件下,仿真计算了3种不同形状的辐射头对水声宽带换能器谐振频率、发送电压响应、自由场电压接收灵敏度和收发频带宽度等性能的影响,并对结构进行了优化;研制了3种不同形状辐射头换能器并进行了水池试验,测试结果与计算结果具有较好的一致性.最后,在声纳开窗尺寸相同的情况下,对3种换能器的布阵效果进行了研究.     

匹配层结构Tonpilz水声换能器的有限元分析

研究了含匹配层结构Tonpilz水声换能器的频带展宽问题。在其前辐射端端部粘结上适当的弹性材料,形成的阻抗匹配层可使换能器工作在多模状态,单层匹配层的情况下,合理选择匹配层的厚度可调整谐振点之间的距离,从而改善换能器的辐射特性。有限元分析结果表明：匹配层技术可有效拓展换能器频带。在案例假设条件下,粘结厚度为6mm的聚苯乙烯匹配层可将电导带宽从7kHz提高到20．4kHz,-3dB带宽可达到11．8kHz。     

一种C波段层叠结构宽带圆极化天线的设计

为了满足C波段宽带通信的需求,设计一种缝隙耦合层叠结构的宽带高增益圆极化微带天线.采用双层切角的辐射贴片实现圆极化,并扩展天线的带宽;使馈线偏离介质板的中心,改善天线的轴比特性;采用金属反射板实现天线的定向辐射,并提高增益.天线实测结果表明,-10 dB阻抗带宽达到32.2％ (4.17～5.76 GHz),3 dB轴比带宽达到20.2％ (4.25～5.25 GHz),天线增益在轴比带宽范围内大于8.5 dB.该天线实现了宽频带、高增益等特性,适合应用于C波段宽带通信.     

低频钹式换能器的有限元分析

为进行低频钹式换能器的有限元分析,研究钹式换能器的性能指标,通过有限元方法建立了换能器的轴对称模型,计算发现,低频钹式换能器的谐振频率可达到2 kHz,结果表明,探索低频钹式换能器的性能指标和振动规律,为开发低频钹式换能器提供了新的途径。     

具有脉动燃烧效应的烟火药水中燃烧声频特性

为研究一种新型的水声无源干扰材料,采用水声测试系统,对具有脉动燃烧效应的烟火药的水中燃烧进行了试验研究,测试了所形成的声频特性,并探讨了其形成的原因。结果表明,15 g具有脉动燃烧效应的烟火药水中燃烧时能形成声压最高为340 Pa,对应的声压级为51dB,燃烧持续时间为18.5 s,频率主要为0~2000 Hz之间的低声频。     

高热剂含量对烟火药水下燃烧声辐射特性的影响

为探讨燃烧产物热量对声辐射特性的影响,采用水声测试系统,实验研究了高热剂含量不同的药剂水下燃烧时的声辐射特性。结果表明,添加适量的高热剂时,能够显著提高声能。当高热剂的含量为25%左右时效果较佳,15g药剂水下燃烧时的声压级达到了158.8dB,频率主要分布在5kHz以下,但当超过25%时声能开始下降。     

水下空气腔角反射器声散射特性

针对水下金属板角反射器目标强度低、具有明显的频率特性等不足,设计了一种新的弹性空气腔角反射器。采用结构有限元耦合流体边界元法,对水下空气腔角反射器和单层金属薄板角反射器的声散射特性进行仿真计算和对比,分析了入射波频率为5～15 kHz范围内,平板厚度、入射角度等因素对不同类型角反射器目标强度的影响及其散射机理并进行了实验验证。研究结果表明：空气腔角反射器散射强度大,无明显的频率特性,去耦作用明显;空气腔角反射器声散射仿真结果和消声水池实测数据进行对比,二者基本一致;相比笨重且回波强度较弱的单层金属板角反射器,空气腔角反射器具有更优的反声性能和更轻的质量,是理想的水下声反射装置。     

多通道声纳信号预处理系统设计

模拟预处理系统是声纳接收机的重要组成部分,为了解决声纳回波信号微弱多变等问题,设计了一款高精度、多通道模拟预处理系统,给出了系统整体框图,分析了其工作原理,并详细介绍了各部分电路。该系统采用压控放大器VCA810设计自动增益控制,实现了±40 dB范围内输入信号的线性、无失真以及恒定输出,并通过截止频率可变的开关电容滤波器实现宽带滤波,且滤波器通频带可通过拨码开关控制,灵活可调。该系统具有体积小、低噪声、低功耗及动态范围大等特点,经试验验证可满足设计要求。     

一种新的频域波束切换算法

传统的时域波束切换算法( TDSB)在接收基阵阵元数少、单元接收信噪比低的情况下法正确检测指向信号入射方向的波束,获得阵增益。不适用于水下无人航行器(UUV)远程水声信系统。针对这一问题,提出了一种频域波束切换算法( FDSB)．该算法通过在频域中比较各波输出信号频谱峰值的大小对波束进行选择、切换。利用设计的UUV声接收基阵对算法进行了能仿真和湖试实验。仿真结果表明：FDSB算法在单元接收信噪比为 10 dB的情况下仍可以定、正确的切换波束;湖试25 km距离上通信实验结果表明：在UUV与信号发射端有相对运动情况下,应用本文提出FDSB算法对波束进行选择、切换,通信误码率小于10-4.     

具有舰艇“声纹”标志的水中目标敌我识别方法

为了在海战中提高水中兵器敌我识别(IFF)的能力,提出了一种具有舰艇"声纹"标志的水中目标IFF方法。该方法将约定的秘密信息进行纠错编码后,采用混沌序列跳频(FH)图案的快FH技术,以实现第1级信息隐匿;以舰艇噪声的主要频带选取FH的工作频带,FH信号不但将舰艇噪声作为其掩护信息,而且其频谱在较短的时间内为线谱,以实现第2级信息隐匿,形成"声纹"标志。在作战所需的时空范围内,依据该"声纹"标志识别我方目标。仿真分析表明:在多径及强舰艇噪声为干扰的背景下,当SIR=-10dB,SNR-4dB时,该方法对FH信号的误比特率小于10-6,3km距离的水库试验结果为均能正确IFF.该IFF方法不但简单灵活、识别速度快、准确性高,而且还具有隐蔽性好、抗截获能力强的特点。