四邊型彎張換能器研究.pdf

1、近些年潛艇靜音技術(shù)的不斷進(jìn)步促使聲納探測方式也隨之發(fā)生重大變革，主動(dòng)聲納占據(jù)了越來越重要的地位，低頻、大功率水聲發(fā)射技術(shù)也因而得到了快速的發(fā)展。彎張換能器因其功率-重量比方面的出色表現(xiàn)，在低頻發(fā)射領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但彎張換能器普遍帶寬較窄，而且低頻無指向性。四邊型彎張換能器是一種特殊的彎張換能器形式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，有源材料體積利用率更高，輻射面積更大，適合作為中低頻、大功率、小尺寸水下發(fā)射聲源使用。本文的主要內(nèi)容是進(jìn)行四邊型彎張

2、換能器寬帶特性以及低頻指向性的研究。
　　首先，介紹了四邊型彎張換能器的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作方式以及工作原理，并確定利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上提出了一種對(duì)稱式四邊型彎張換能器結(jié)構(gòu)，建立其有限元模型，對(duì)主要振動(dòng)模態(tài)及其特征、空氣中及水中的電聲特性、振動(dòng)位移特性、預(yù)應(yīng)力及靜水壓情況進(jìn)行了分析，通過優(yōu)質(zhì)因數(shù)的計(jì)算說明四邊型彎張換能器在單位體積或單位質(zhì)量下具有較高的輻射功率。之后根據(jù)對(duì)稱式四邊型彎張換能器本身的振動(dòng)特性

3、，以及殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)送電壓響應(yīng)的影響，總結(jié)出了單諧振峰工作時(shí)拓寬頻帶的方法，樣機(jī)計(jì)算結(jié)果表明其具有良好的寬帶發(fā)射特性。
　　根據(jù)前面的分析，隨后提出了一種形成心形指向性的新方法，并設(shè)計(jì)出具有低頻心形指向性的四邊型彎張換能器。通過非對(duì)稱輻射面和非對(duì)稱激勵(lì)振子的設(shè)計(jì)，使四邊型彎張換能器前后兩個(gè)輻射面振動(dòng)位移形成強(qiáng)烈反差，達(dá)到單極子和偶極子的疊加效果，構(gòu)建出心形指向性，并成功避免了常規(guī)方法對(duì)于電端的復(fù)雜設(shè)計(jì)。之后，從長短振子長度比例的

4、角度分析其對(duì)指向性的影響，再從殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)與指向性和響應(yīng)曲線之間的關(guān)系入手，得到了具體的變化規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)換能器重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終的樣機(jī)仿真結(jié)果顯示可以實(shí)現(xiàn)比較理想的心形指向性。
　　然后，提出了一種混合激勵(lì)寬帶四邊型彎張換能器，利用多個(gè)模態(tài)耦合的方法實(shí)現(xiàn)了換能器的寬帶特性。先對(duì)雙棒式磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)磁場和動(dòng)態(tài)磁場的分析，并確定了最終的磁路形式，再建立出換能器的有限元模型，討論壓電陶瓷材料和稀土材料分別單獨(dú)激勵(lì)時(shí)換能器時(shí)的

5、電聲特性，計(jì)算了兩種材料同時(shí)激勵(lì)換能器時(shí)的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線，并優(yōu)化得到最終結(jié)果。
　　最后，完成了對(duì)稱式四邊型彎張換能器和指向性四邊型彎張換能器的制作與裝配過程，并分別在空氣中和消聲水池中進(jìn)行了相關(guān)特性的測試。測試結(jié)果顯示，對(duì)稱式四邊型彎張換能器樣機(jī)在2.4kHz～5kHz頻段內(nèi)，最大發(fā)送電壓響應(yīng)值為140dB，響應(yīng)起伏小于4dB，可以實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射。指向性四邊型彎張換能器樣機(jī)水中諧振頻率為1.8kHz，并在此頻率下形成了一定的心形