弯张换能器的有限元设计

IV型弯张换能器是水声领域中一类低频、大功率换能器，其理论分析通常采用有限元法。利用ANSYS软件建立了800Hz的IV型弯张换能器的有限元模型，进行结构分析与设计。根据分析的结果制作出样机，测试的结果与理论分析基本符合。     

稀土纵向式换能器

讨论了稀土纵向式换能器的设计方法和关键技术，给出了利用国产棒型稀土材料制作的换能器件品的实验结果。实验结果表明：换能器在高度不超过１５０ｍｍ情况下，机械谐振频率低于２５ｋｈｚ，声源级超过１８０．０ｄＢ。     

四端网络法在稀土纵振换能器设计中的应用

本文采用经典的四端网络法对一种稀土纵向换能器进行了建模和设计，并与有限元法ANSYS计算结果、试验结果进行了比较，三者吻合较好。     

声表面波换能器激励的有限元仿真

采用有限元法分析了声表面波换能器电极上的激励问题。从声场波动方程、麦克斯韦方程以及压电本构方程出发,利用哈密顿原理,推导了在压电介质中声表面波有限元方程,然后采用Newmark法对有限元方程进行时域变换。分析了换能器电极上的静态电荷分布和动态电荷分布。对压电介质中声表面波振动振幅进行计算并分析了质点振动振幅随深度的变化情况。     

PIMNT单晶弯曲圆盘换能器设计

新型弛豫铁电单晶材料铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体(Pb(In_1/2Nb_1/2) O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3) O₃-PbTiO₃, PIMNT)的压电系数是陶瓷材料的 6 倍以上,应变量高出压电陶瓷 10 倍以上,具有较高的机电耦合系数,压电性能优于传统 PZT 材料。文章将单晶材料应用于带空气腔的弯曲圆盘换能器中,利用 ANSYS 仿真软件优化换能器结构,确定换能器尺寸,设计制作 PIMNT 压电单晶换能器和PZT4压电陶瓷换能器,并进行了水池实验。换能器实测结果与仿真结果保持一致,单晶换能器的谐振频率为 2.85 kHz,最大发送电压响应为 136.3 dB。结果表明,相比于同尺寸的陶瓷换能器,将 PIMNT 压电单晶应用于弯曲圆盘换能器可降低谐振频率,提高发送电压响应,提升换能器的工作性能,为进一步改善单晶换能器综合性能提供参考。     

双激励宽带换能器的有限元设计

有限元法在工业产品的开发、设计过程中都极大地提高了效率和质量。换能器的设计优化也不例外，本文利用有限元ANSYS软件对双激励宽带换能器在水中的导纳、电压发送响应等进行数值仿真计算。并结合实物给出测量值。结果表明有限元在声场计算方面可以获得较理想的解。     

多边形比例边界有限元非线性高效分析方法

比例边界有限元法作为一种高精度的半解析数值求解方法,特别适合于求解无限域与应力奇异性等问题,多边形比例边界单元在模拟裂纹扩展过程、处理局部网格重剖分等方面相较于有限单元法具有明显优势。目前,比例边界有限元法更多关注的是线弹性问题的求解,而非线性比例边界单元的研究则处于起步阶段。该文将高效的隔离非线性有限元法用于比例边界单元的非线性分析,提出了一种高效的隔离非线性比例边界有限元法。该方法认为每个边界线单元覆盖的区域为相互独立的扇形子单元,其形函数以及应变-位移矩阵可通过半解析的弹性解获得;每个扇形区的非线性应变场通过设置非线性应变插值点来表达,引入非线性本构关系即可实现多边形比例边界单元高效非线性分析。多边形比例边界单元的刚度通过集成每个扇形子单元的刚度获取,扇形子单元的刚度可采用高斯积分方案进行求解,其精度保持不变。由于引入了较多的非线性应变插值点,舒尔补矩阵维数较大,该文采用Woodbury近似法对隔离非线性比例边界单元的控制方程进行求解。该方法对大规模非线性问题的计算具有较高的计算效率,数值算例验证了算法的正确性以及高效性,将该方法进行推广,对实际工程分析具有重要意义。     

纵向换能器宽带研究设计进展

复合棒换能器因其结构简单,性能可靠等优点在声呐系统中占有重要的位置。随着新功能材料、新理论的出现和发展,各种以复合棒换能器为基础衍生出的纵向换能器不断研制出来,在科研、军事领域得到广泛应用。了解、掌握这些换能器的工作原理对相关工作者不无裨益。介绍了纵向换能器的基本结构、工作模式、研究设计方法、及多种宽带实现思路和相应换能器具有的工作特性等。纵向换能器的多样设计不仅扩展了工作频率范围,也满足了许多不同的应用目的。     

用有限元法分析拼镶式换能器

本文采用Ansys有限元软件对拼镶式圆柱换能器进行空气中的模态分析，谐波分析以及水中的谐波分析，得到换能器的振型、导纳曲线、发射电压响应和指向性图。并将有限元分析结果，与实验测量结果对比来检验有限元模型的正确性。     

钹式压电复合换能器的有限元分析

主要运用轴对称薄壳截锥单元的有限元分析方法，对钹式压电复合换能器的工作模式进行分析，并计算出在电场的作用下，钹式压电复合换能器的纵向位移，以及纵向位移与端帽及压电陶瓷形状参数的关系，并与试验结果进行对比。     

圆环式径向换能器声压分布及其指向性

根据圆环式径向换能器的对称性,定性分析了其声压分布性质,提出将辐射面镶在无限幕上并向辐射面的外法线所在的半空间辐射声场的分析模型;根据惠更斯原理,推导了圆环式径向换能器辐射声场远场区的声压分布以及指向性函数;通过MATLAB绘制指向性函数曲线,研究换能器的有效工作段长度、外径以及辐射频率对其指向性的影响。结果表明,当换能器的尺寸一定时,辐射频率增大,指向性增强;当换能器的辐射频率和外径一定时,换能器的有效工作段长度增大,指向性增强;当换能器的辐射频率和有效工作段长度一定时,外径对声场指向性的影响不大。结合有限元分析软件COMSOL Multiphysics,仿真声波在混凝土中的传播,进一步验证了以上结论。     

锚喷支护洞室的弹塑性边界元——有限元耦合计算法

本文阐述了具有喷层支护的地下洞室在围岩压力作用下弹塑性边界元和有限元耦合法的计算原理,导出了计算公式,并编制了相应的计算机程序,对具有喷层支护的地下洞室进行了稳定性分析,将喷层考虑为有限元区域,用边界元法对围岩进行塑性分析,通过围岩与喷层接触面上的谐调条件建立了统一的积分方程组,利用“近似中点刚度法”对理想弹塑性岩体进行了增量迭代计算,从而求出围岩和喷层中的应力和位移。     

地下隧道工程地震动分析的有限元－人工透射边界方法

采用有限元－人工透射边界方法计算了含有地下隧道工程的地基在ＳＨ波和瑞利波作用下的地震动反应，讨论了各自不同的地震动特性。并通过与边界积分方法比较，验证了有限元—人工透射边界方法对解决此类问题的有效性。     

地下隧道工程地震动分析的有限元－人工透射边界方法

采用有限元－人工透射边界方法计算了含有地下隧道工程的地基在ＳＨ波和瑞利波作用下的地震动反应，讨论了各自不同的地震动特性。并通过与边界积分方法比较，验证了有限元—人工透射边界方法对解决此类问题的有效性。     

IV型弯张换能器的数学建模

ＩＶ型弯张换能器的振动机理比较复杂,它包涵着驱动振子的振动、壳体的振动、 水介质振动及它们之间相互耦合而构成的复合振动。本文对其进行了较详细的理论分析,给 出了换能器壳体的振动位移分布和谐振频率。并根据干模态讨论了换能器在水中的声辐射特 性;再者,结合压电方程及换能器的振速、应力分布给出了换能器在水中的电机声等效电路。 理论分析结果与有限元法及实验测量进行了比较,符合较好。     

PMNT及其在水声换能器中的应用

本文阐述了弛豫铁电单晶PMN-PT、PZN-PT材料的性能特征及其在国内外水声领域应用的现状和发展趋势。并利用上海硅酸盐研究所提供的PMN-PT元件设计制作了单晶纵振换能器、厚度模换能器及加速度计。通过对PMNT换能器性能测试数据的分析，得到了一些较有意义的结论。