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.     

水声发射换能器技术研究综述

水声发射换能器种类繁多,通常按工作频率加以区分.在低频段给出了几种工程上常用的低频大功率换能器的结构形式,并讨论了提高换能器工作极限的技术途径,同时还指出速度控制对低频声基阵的重要性.在中频段主要给出了拓展换能器工作带宽的各种结构形式及一种新的设计方法,并讨论了新材料应用及宽带匹配技术.在高频段给出了陶瓷颗粒簇匹配层换能器的等效电路,同时分析了高频换能器基阵机电一体化设计的发展趋势.结果表明,新结构、新材料、新工艺仍是推动水声发射换能器不断发展的技术途径.     

偏心式圆筒悬臂梁发射换能器研究

为了得到宽带发射换能器,提出了一种偏心式圆筒悬臂梁换能器的结构形式,重点介绍了此类换能器的基本设计思想,即围绕低频和宽带两方面入手,将弯曲振动模态频率低的特点和多模态振动耦合拓宽频带的方法结合起来,应用于同一种换能器的结构设计中.利用有限元软件对换能器进行了辅助设计分析,并计算了悬臂梁和换能器的振动模态、工作频率、阻抗和发射特性等性能参数.换能器样机的测量结果是换能器的工作频带(-6 dB)为4～16 kHz,发射电压响应起伏在-5 dB以内,工作频带覆盖了2个倍频程.换能器样机的实测结果验证了设计思想的正确性和可实现性.     

新型换能器技术的进展

介绍了PVDF圆柱型水听器、大面积平板PVDF水听器、钹式换能器、弛豫铁电单晶换能器、小体积低频大功率发射换能器等方面的研究进展.PVDF圆柱型水听器用灌注成型和复合膜卷绕技术制作而成,性能稳定,一致性好.大面积水听器具有能使流噪声非相干抵消的优点.研制的大面积平板PVDF水听器样品灵敏度高,具有较平坦的响应.Cymbal换能器体积小、重量轻,灵敏度高,结构较简单,加工方便.驰豫铁电单晶换能器的灵敏度比同样的压电陶瓷换能器高5～6dB.小体积低频大功率发射换能器由7个Cymbal换能器并联组合推动盖板辐射声波,体积小重量轻,发射灵敏度高.     

单矢量水听器水声材料声反射系数自由场大样测量方法

为了实现水声材料法向声反射系数的自由场宽带测量,将单矢量水听器作为测量系统的核心设备,结合脉冲声发射技术与后置逆滤波信号处理技术,提出了基于单矢量水听器的水声材料法向声反射系数自由场宽带测量方法,通过矢量水听器电子旋转技术实现直达声与反射声的有效分离。讨论了测量系统误差以及接收信号的信噪比等因素对测量结果的影响,该方法对信噪比有一定要求,但对测量系统误差不敏感。实验测试结果表明:与未经后置逆滤波处理的实验测试结果相比,文中所述方法显著提高了测量性能,但受发射换能器低频发射能力限制,实验结果在2.5 kHz以上与理论值吻合较好。     

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.     

矩形铝蜂窝夹层板振动本征频率实验研究

运用等效理论对矩形镍铬钢薄板和铝蜂窝夹层板弯曲振动进行分析,并通过实验验证:辐射板的最低本征频率正相关于换能器的起始发射频率,辐射板的模态密度正相关于换能器带宽.采用铝蜂窝夹层板作为辐射板的超声换能器,在5 V的信号激励下,起振频率为15 kHz,带宽为15～45 kHz,辐射声压级为95 dB,声压级起伏不超过±5 dB.而且具有薄型的优点,厚度不大于2 mm,辐射面积不大于500 mm2,水平辐射声压级无指向性.     

基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析

为提高高频水声换能器的性能,提出了一种基于1-1-3型压电复合材料的带有梯形匹配层的水声换能器设计。应用有限元方法分析了有无匹配层对复合材料电性能、辐射端振动位移的影响。并研制了带匹配层和不带匹配层的2种水声换能器。测试结果显示引入匹配层使得水声换能器在谐振频率为360 kHz时最大发送电压响应达到169.4 dB,接收电压灵敏度为-190 dB,-3 dB下接收信号带宽最大可达70 kHz,最大声源级达到208 dB。发送电压响应比没有匹配层的换能器提高了3.8 dB、声源级提高了6 dB、接收带宽拓宽了1.45倍。     

复合连通型压电水声换能器基阵的研究

针对压电水声换能器自由场电压接收灵敏度问题,以Cymbal换能器为压电相,聚氨酯为聚合物相,构成了具有1-3复合连通型特征的压电复合水声换能器平面均匀并联基阵.建立了基阵数学模型;制作并测试了该基阵的自由场电压接收灵敏度.结果表明,该种结构的压电复合水声换能器的自由场电压接收灵敏度与阵元的体积分数有关;与阵元的间距有关,阵元间距在对应于辐射因子为零处时,可得到该基阵的自由场电压接收灵敏度的最大值;其自由场电压接收灵敏度的实测值与理论值有很好的吻合程度,基阵的基波谐振频率比单个换能器阵元的基波谐振频率明显降低.     

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。