隨著水下探測(cè)技術(shù)的深入發(fā)展,對(duì)水聲換能器的性能提出了更高新要求,小尺寸、高功率和中高頻成為水聲換能器新的發(fā)展方向。而對(duì)于廣泛應(yīng)用的縱向換能器,如何獲得更寬帶寬和更高的發(fā)射響應(yīng),成為了水聲換能器領(lǐng)域研究重點(diǎn)之一。本文主要以縱振寬帶水聲換能器為研究對(duì)象,結(jié)合等效電路理論和有限元模型仿真分析兩種方法,通過(guò)調(diào)整器件的結(jié)構(gòu)尺寸、激勵(lì)方式和外部電路,利用其縱振模態(tài)、前蓋板的彎曲模態(tài)以及壓電晶堆的徑向振動(dòng)模態(tài)耦合,實(shí)現(xiàn)頻帶拓寬的研究目標(biāo)。首先,通過(guò)推導(dǎo)縱振換能器的等效電路,分析雙激勵(lì)源寬帶換能器的導(dǎo)納曲線,確定換能器的諧振頻率,并初步確定換能器的結(jié)構(gòu)尺寸。在此基礎(chǔ)上建立換能器的有限元模型,運(yùn)用ANSYS仿真軟件對(duì)換能器進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,獲得換能器的多階諧振頻率及發(fā)射電壓響應(yīng)等性能參數(shù)。結(jié)果表明,在±2.7dB帶寬起伏條件下,頻率帶寬范圍為22~49kHz,最大發(fā)射響應(yīng)達(dá)到143.3dB。但在大于55kHz的高頻段,發(fā)射電壓響應(yīng)產(chǎn)生了較深的凹谷,起伏過(guò)大不能滿足實(shí)際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上,利用有限元的方法對(duì)換能器的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化分析,研究了結(jié)構(gòu)尺寸、串聯(lián)電阻以及激勵(lì)方式對(duì)換能器電聲特性的影響規(guī)律。結(jié)構(gòu)尺寸的改變對(duì)雙激勵(lì)源縱振動(dòng)換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)有一定影響,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)具有的最大發(fā)射電壓響應(yīng)為143.9dB,工作范圍從24.0kHz到55.5kHz,發(fā)射電壓響應(yīng)的最大起伏為±3.4dB。而激勵(lì)方式的優(yōu)化對(duì)高頻段的發(fā)射響應(yīng)的影響非常明顯,改善了同相激勵(lì)在高頻段發(fā)射響應(yīng)呈現(xiàn)凹谷的現(xiàn)象,進(jìn)一步拓展了換能器的工作帶寬,反相激勵(lì)換能器的帶寬為28kHz-99kHz,發(fā)送電壓響應(yīng)高達(dá)148.2dB,起伏為±7.5dB。最后,制作了單端激勵(lì)換能器實(shí)物,并測(cè)試了空氣中的導(dǎo)納曲線、水中的導(dǎo)納曲線、發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)以及方向性。水池實(shí)驗(yàn)表明:實(shí)物樣機(jī)頻段范圍為25-61kHz,發(fā)送電壓響應(yīng)高達(dá)148dB,帶內(nèi)起伏在±6dB內(nèi)。綜上,本文采用縱振換能器的前晶堆反相激勵(lì)的方法可以解決高頻諧振頻率之間的存在深凹谷的問(wèn)題,有效拓展帶寬,對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化也能有效地降低起伏和增加帶寬。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TB565.1
【部分圖文】：

中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文料是由壓電陶瓷與聚合物按照一定的空間排列方式組合典型應(yīng)用，表示壓電相在 1 個(gè)方向是連通的，聚合物相 1-1 所示。相比較于 PZT，壓電復(fù)合材料的聲阻抗較抗匹配，厚度機(jī)電耦合系數(shù)較高，徑向機(jī)電耦合系數(shù)振動(dòng)模，而且具有一定韌性，方便制作成復(fù)雜的產(chǎn)品利于做接收器�？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)壓電相和聚合物相的體�？偟膩�(lái)說(shuō)，復(fù)合材料兼具 PZT 和聚合材料的優(yōu)勢(shì)，中發(fā)揮重要作用，也能在靈敏度高的水聽(tīng)器中發(fā)揮重要

復(fù)合棒式換能器也叫作夾心式換能器或者喇叭形換能器。1917 年法國(guó)的郎之P.Langevin)使用石英材料做了第一個(gè)復(fù)合棒換能器，隨后的一百年中，以復(fù)合棒構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行輻射面結(jié)構(gòu)的改變、匹配層的應(yīng)用和有源層的創(chuàng)新等研究層出，各種各樣的復(fù)合棒式換能器出現(xiàn)，在換能器領(lǐng)域占據(jù)著不可替代的地位。復(fù)式壓電換能器通常是由前蓋板、壓電陶瓷晶堆、預(yù)應(yīng)力螺桿和后蓋板這四部分，具體如圖 1-2 所示。將壓電陶瓷環(huán)機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)子構(gòu)成壓電晶堆，在電上施加交變電壓，壓電晶堆在縱向方向上產(chǎn)生振動(dòng)，所以也叫縱向換能器。前和后蓋板的質(zhì)量會(huì)影響發(fā)射聲波的方向，一般后蓋板采用黃銅、鋼或鎢等較重屬，前蓋板采用較輕的金屬鋁或非金屬材料，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，形成一定的振速比，聲波主要從前蓋板輻射出去，而且前蓋板一般設(shè)計(jì)成喇叭形增大發(fā)射，提高發(fā)射電壓響應(yīng)而且發(fā)射指向性圖的波束開(kāi)角較大。預(yù)應(yīng)力螺桿將前蓋板電晶堆和后蓋板固定在一起，而且由于壓電陶瓷的抗拉強(qiáng)度非常低，所以需要一定預(yù)應(yīng)力，使其處于被壓縮狀態(tài)，提高功率極限[10,11,12]。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文1936 年 Hayes 提出彎張換能器的概念，也就是彎曲伸張換能器。1966 年 Toulis發(fā)表了Ⅳ型彎張換能器專(zhuān)利從而被廣泛研究。彎張換能器是利用振幅放大原理，將有源材料的伸縮振動(dòng)轉(zhuǎn)化為殼體（或桶、梁）輻射面的更大體積位移（即更大的輻射面和振動(dòng)位移）的彎曲振動(dòng)。彎曲振動(dòng)的諧振頻率小于縱振諧振頻率，殼體不僅放大了振動(dòng)位移還增加了輻射面積，所以彎張換能器的特點(diǎn)是低頻高功率。根據(jù)結(jié)構(gòu)大致可分為七種，這七種又可以歸納為三種結(jié)構(gòu)換能器：柱形結(jié)構(gòu)彎張換能器、長(zhǎng)型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器和扁型旋轉(zhuǎn)體彎張換能器，具體如圖 1-3 所示。
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本文編號(hào)：2878750