【摘要】：為了獲得更遠(yuǎn)的作用距離,現(xiàn)代水聲裝備呈現(xiàn)出明顯的向低頻發(fā)展的趨勢(shì)。低頻段的聲波在傳播時(shí)具有更小的傳播損失,而要獲得低頻聲波最關(guān)鍵的就是研制低頻發(fā)射換能器。彎張換能器是目前幾類(lèi)主要的低頻發(fā)射換能器之一,具有體積小、重量輕、功率大等特點(diǎn),比較適用于低頻水聲和水聲對(duì)抗換能器,但由于彎張換能器內(nèi)部存在空腔,一般不適用于深水工作。因此,提升彎張換能器的耐壓能力是目前應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。本文以較為常見(jiàn)的Ⅲ型彎張換能器為研究對(duì)象,首先對(duì)空氣背襯的Ⅲ型彎張換能器進(jìn)行了研究,了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其耐壓機(jī)理進(jìn)行探討,研究了幾種提升換能器耐壓能力的方法,并制作樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。由于Ⅲ型彎張換能器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以本文選擇了有限元法對(duì)其進(jìn)行分析,先后推導(dǎo)出了壓電彈性體矩陣形式的振動(dòng)方程和流體與結(jié)構(gòu)互作用問(wèn)題的有限元方程,并探討了ANSYS有限元軟件在分析換能器中的應(yīng)用,給出了ANSYS軟件在設(shè)計(jì)換能器時(shí)的具體步驟。利用ANSYS有限元軟件對(duì)空氣背襯的Ⅲ型彎張換能器進(jìn)行了仿真計(jì)算。研究了結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)換能器諧振頻率和發(fā)送電壓響應(yīng)的影響。計(jì)算了換能器在空氣中的阻抗特性、水中的阻抗特性以及水中的發(fā)送電壓響應(yīng)。最后得到了優(yōu)化后的換能器樣機(jī),諧振頻率1350Hz,發(fā)送電壓響應(yīng)132.6dB。然后,對(duì)耐壓Ⅲ型彎張換能器面臨的兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了分析:低頻大功率與耐壓能力之間的矛盾、寬帶發(fā)射與耐壓能力之間的矛盾。把提升Ⅲ型彎張換能器的耐壓能力作為本文主要解決的問(wèn)題。論文分析闡述了解決Ⅲ型彎張換能器耐壓?jiǎn)栴}的兩種途徑:一種是對(duì)換能器自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,提升其耐壓能力。另一種是采用壓力補(bǔ)償手段,使換能器內(nèi)外壓力得到平衡,從而提高工作深度。針對(duì)換能器的耐壓?jiǎn)栴},本文提出了兩種途徑計(jì)四種解決方案,并分別進(jìn)行了仿真計(jì)算。第一種是結(jié)構(gòu)自支撐式,通過(guò)在靜壓力作用下對(duì)換能器進(jìn)行應(yīng)力分析,計(jì)算得到換能器端蓋和凹形殼體連接處為應(yīng)力集中部位,在殼體厚度不變的情況下,采用在端蓋和殼體連接處增加圓角的方式使最大應(yīng)力下降了48%,從而使結(jié)構(gòu)自支撐式Ⅲ型彎張換能器對(duì)應(yīng)的最大工作深度從50m提高到了95m,性能基本不變。第二種是直接溢流式,對(duì)溢流Ⅲ型彎張換能器的電聲性能進(jìn)行了仿真計(jì)算,并與空氣背襯時(shí)的情況進(jìn)行了比較,總結(jié)了直接溢流方案不可行的原因。第三種是小孔溢流式,主要目的是利用小孔與換能器內(nèi)液腔產(chǎn)生的低通濾波作用,消除直接溢流帶來(lái)的“聲短路”問(wèn)題;先后對(duì)小孔直徑分別為1mm、2mm、3mm、6mm的小孔溢流式Ⅲ型彎張換能器進(jìn)行了仿真,其中小孔直徑為2mm時(shí)效果最優(yōu),換能器諧振頻率為2469Hz,發(fā)送電壓響應(yīng)為120dB;與空氣背襯的Ⅲ型彎張換能器相比,諧振頻率升高了1181Hz,發(fā)送電壓響應(yīng)降低了12.7dB。第四種是溢流填充順性管,通過(guò)在換能器內(nèi)液腔填充具有一定壓縮系數(shù)的順性管來(lái)達(dá)到消除“聲短路”和提高換能器響應(yīng)的目的;首先對(duì)順性管的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)出了一款耐壓能力超過(guò)3MPa,壓縮系數(shù)為水的20倍的順性管;在Ⅲ型彎張換能器內(nèi)液腔填充6根順性管時(shí),仿真得到換能器的液腔諧振頻率為650Hz,諧振點(diǎn)發(fā)送電壓響應(yīng)120.8dB,彎曲振動(dòng)諧振頻率為1950Hz,發(fā)送電壓響應(yīng)為126dB。根據(jù)仿真結(jié)果,對(duì)順性管和不同工況下的Ⅲ型彎張換能器進(jìn)行了加工制作和測(cè)量。經(jīng)測(cè)試,空氣背襯的Ⅲ型彎張換能器諧振頻率為1450Hz,發(fā)送電壓響應(yīng)130.5dB,耐壓能力小于0.7MPa。直接溢流的Ⅲ型彎張換能器出現(xiàn)了嚴(yán)重的“聲短路”現(xiàn)象,彎曲振動(dòng)模態(tài)的諧振峰消失,但在低頻段出現(xiàn)了液腔諧振峰。小孔溢流的Ⅲ型彎張換能器雖然存在彎曲振動(dòng)諧振峰,但諧振頻率升高明顯,響應(yīng)也大幅降低。在Ⅲ型彎張換能器內(nèi)液腔填充6根順性管時(shí),液腔振動(dòng)諧振頻率780Hz,諧振點(diǎn)發(fā)送電壓響應(yīng)115dB,彎曲振動(dòng)諧振頻率諧振頻率為2000Hz,發(fā)送電壓響應(yīng)125.1dB,在680Hz至3000Hz頻段范圍內(nèi)聲源級(jí)大于175dB,在3MPa的靜水壓力下,換能器的性能基本不變,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。以上結(jié)果表明,通過(guò)采用溢流填充順性管是提升Ⅲ型彎張換能器的耐壓能力的有效手段。
【圖文】：

源材料也可采用稀土棒組成多邊形，稀土材射功率[1-3]。圓環(huán)換能器工作在呼吸模態(tài)時(shí)的2cfπa= 設(shè)備研究所研制的空氣背襯的鑲拼圓環(huán)換能帶 5-20kHz，帶內(nèi)聲源級(jí)≥190dB（0dB re 1振頻率與周長(zhǎng)成反比，，為了獲得更低的諧振

圖 1.1 TRH150 換能器拼圓環(huán)換能器設(shè)計(jì)成溢流的形式，通過(guò)徑向振。圖 1.2 同為上海船舶電子設(shè)備研究所研制振頻率約 3kHz，圓環(huán)呼吸模態(tài)諧振頻率源級(jí)≥185dB。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)艦船研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB565.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2689551