發(fā)布時(shí)間：2020-09-30 16:32

　　 海洋資源是影響世界各國發(fā)展的重要因素,而聲波是進(jìn)行海洋資源探測,獲取水下信息的最佳載體,水聲換能器則是在海洋探測中進(jìn)行聲信號(hào)與電信號(hào)互相轉(zhuǎn)化的重要器件,它能接收水下聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),或者將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘?hào)在水中傳播,以此來獲得水下目標(biāo)的信息。為了設(shè)計(jì)低頻聲吶系統(tǒng)中所需要的水聲換能器,最有效的方法就是通過增大換能器的體積位移來增大換能器的輻射阻,以降低其工作頻率,但這種方法一般都會(huì)使換能器在制作和使用上產(chǎn)生較高的成本。本文根據(jù)夾心式換能器輻射功率大、性能穩(wěn)定的特點(diǎn),利用換能器和大尺寸金屬圓管的耦合振動(dòng),給出了一種低頻縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換水聲換能器的設(shè)計(jì)。該換能器利用兩端夾心式換能器的縱向振動(dòng)產(chǎn)生的能量來激發(fā)中間金屬圓管的徑向振動(dòng),從而使換能器不僅可以向其縱向輻射聲能量,也可以向其徑向輻射能量。同時(shí),通過在金屬圓管壁上開適當(dāng)數(shù)目的豎直槽,以降低縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器的諧振頻率。文中提出的換能器具有尺寸較小,結(jié)構(gòu)及其制作工藝簡單,便于安裝的特點(diǎn)。運(yùn)用等效電路法和有限元法對該換能器的諧振特性和頻率響應(yīng)進(jìn)行了分析,具體的研究內(nèi)容如下:1.運(yùn)用等效電路法,根據(jù)夾心式換能器和大尺寸金屬圓管耦合振動(dòng)的等效電路推導(dǎo)了縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器的等效電路,并利用等效電路對換能器的諧振頻率特性進(jìn)行了分析。在忽略換能器在周圍介質(zhì)中輻射阻抗的條件下,計(jì)算得到了換能器在空氣中的諧振頻率。同時(shí),利用有限元仿真軟件COMSOL建立了縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器在空氣中的三維有限元模型,計(jì)算得到了換能器的諧振頻率,并通過兩種計(jì)算結(jié)果的比較,驗(yàn)證了方法的有效性。2.為了降低縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器的諧振頻率,提出了在縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器的金屬圓管壁上開適當(dāng)數(shù)目的豎直槽來調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率的方法。應(yīng)用有限元軟件COMSOL,建立了開槽換能器的有限元模型,仿真得到了開槽圓管縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器在空氣中的諧振頻率,證明在金屬圓管壁上開槽可以有效的降低換能器的諧振頻率。為了實(shí)現(xiàn)換能器在水下聲吶系統(tǒng)中的應(yīng)用,建立開槽圓管縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器在水中的三維有限元模型,采用控制變量法,分別研究了夾心式換能器的和開槽圓管的尺寸參數(shù)對換能器的諧振頻率和發(fā)射電壓響應(yīng)級的影響,設(shè)計(jì)了諧振頻率在1000Hz以下的小體積縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換水聲換能器。3.在開槽圓管縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換水聲換能器的結(jié)構(gòu)上增加若干個(gè)開槽圓管和中間激勵(lì)單元,組成周期性結(jié)構(gòu)的開槽圓管縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換水聲換能器。運(yùn)用有限元軟件仿真計(jì)算了三種周期結(jié)構(gòu)開槽圓管縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換水聲換能器的諧振頻率和發(fā)射電壓響應(yīng)級。仿真結(jié)果表明:增加一個(gè)周期結(jié)構(gòu)可以有效地降低開槽圓管縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器在空氣中和在水中的第一諧振頻率,但隨著周期數(shù)目的增加,頻率減小越來越緩慢,而換能器在水中的第二諧振頻率不隨周期數(shù)目的變化而變化。隨著周期數(shù)目的增加,換能器在水中第一諧振頻率處的發(fā)射電壓響應(yīng)級先減小后增大,而換能器在水中第二諧振頻率處的發(fā)射電壓響應(yīng)級呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的規(guī)律。這種周期結(jié)構(gòu)的開槽圓管縱-徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器在諧振頻率處的發(fā)射電壓響應(yīng)級較高,適合單點(diǎn)共振發(fā)射;兩個(gè)諧振峰之間的TVR較平坦,在發(fā)射功率要求不高的情況下適用于寬帶發(fā)射。
【學(xué)位單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB565.1
【部分圖文】：

對水聲換能器的要求趨向于低頻、小尺寸、寬帶發(fā)射，在此前提下，國內(nèi)外學(xué)者逡逑對低頻大功率水聲換能器進(jìn)行了大量研究。在海洋探測中，低頻主動(dòng)聲吶系統(tǒng)主逡逑要是用工作頻帶為１００￣〗０００Ｈｚ的水聲換能器，如圖１－２所示［３６］，這種低頻水聲換逡逑能器一般輻射阻較小，難以做到大功率、寬帶發(fā)射。為了使水聲換能器符合這種逡逑低頻需求，最有效的方法是通過增大換能器的體積位移來增大換能器的輻射阻逡逑［８，３％３８］，但是這種方法通常會(huì)帶來制作成本較高和工藝復(fù)雜等問題。逡逑為了解決水聲換能器低頻寬帶工作和體積過大之間的矛盾，本文提出了一種逡逑縱－徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換水聲換能器，該換能器由兩個(gè)夾心式換能器和一個(gè)金屬圓管組成，逡逑整體呈上下對稱結(jié)構(gòu)�？v－徑振動(dòng)轉(zhuǎn)換換能器不僅可以向換能器的縱向輻射聲能逡逑量，也可以向換能器的徑向輻射能量，實(shí)現(xiàn)了水聲換能器的低頻發(fā)射，克服了現(xiàn)逡逑有技術(shù)中低頻換能器尺寸較大的問題

體積小、重量輕、工作頻率低等優(yōu)點(diǎn)，在幾百赫茲到幾千赫茲的頻率范圍都有應(yīng)逡逑用⑴，且單個(gè)換能器就可以實(shí)現(xiàn)很高的發(fā)射源級。因此在聲吶浮標(biāo)、水聲通信、低逡逑頻水下聲源等方面應(yīng)用極廣，目前至少有七種不同類型的彎張換能器，如圖１－３逡逑所示［１］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對彎張換能器做了大量的研宄與改進(jìn)【５２－５６］。逡逑ｉｎｉＶ邐凹切邐ａ逡逑ＣＬＡＳＳＩ邐邐邐邋ＣＬＡＳＳＩＶ邐＿…邐ＣＬＡＳＳＶＨ逡逑ＣＬＡＳＳ邋ＩＩＩ邐ＣＣＬＡＳＳ邋ＶＩ逡逑圖１－３七種不同類型彎張換能器的結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｎ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｆｌｅｘｕｒａｌ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑２０１５年，哈工程學(xué)者提出了一種基于矩形壓電陶瓷三疊片彎曲梁的組合式換逡逑能器，運(yùn)用瑞利法對矩形三疊片進(jìn)行了分析，并利用有限元軟件ＡＮＳＹＳ對換能逡逑器的性能進(jìn)行分析，據(jù)此制作了一個(gè)尺寸為１５０ｍｍｘｌ３２ｍｍｘ９２ｍｍ的低頻彎曲式逡逑換能器，水下工作頻帶為１１００Ｈｚ－１７００Ｈｚ［５８］。２０１７年，劉慧生等人用有限元法研逡逑[偭送仆焓劍鄭桑尚屯湔嘔荒芷韉慕峁共問孕癡衿德屎蛻閱艿撓跋歟鈧輾掄媼隋義獻(xiàn)畬蟪嘰緗鑫常叮埃恚恚歟矗埃恚恚兀保梗埃恚淼耐仆焓劍鄭桑尚屯湔嘔荒芷鰨沒荒芷髟謁義現(xiàn)械牧礁魴癡穹宸直鷂保罰耄齲停玻梗耄齲郟擔(dān)梗蕁ｅ義纖荒芷魘迪值推蕩蠊β史⑸淶牧硪恢滯揪毒褪遣捎茫齲澹歟恚瑁錚歟簦峁

本文編號(hào)：2831081