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原文传递四边型弯张换能器研究

论文题名：	四边型弯张换能器研究
关键词：	弯张换能器;宽带特性;低频指向性;混合激励;有限元模型;电声特性
摘要：	近些年潜艇静音技术的不断进步促使声纳探测方式也随之发生重大变革，主动声纳占据了越来越重要的地位，低频、大功率水声发射技术也因而得到了快速的发展。弯张换能器因其功率-重量比方面的出色表现，在低频发射领域得到了广泛应用，但弯张换能器普遍带宽较窄，而且低频无指向性。四边型弯张换能器是一种特殊的弯张换能器形式，其内部结构更加紧凑，有源材料体积利用率更高，辐射面积更大，适合作为中低频、大功率、小尺寸水下发射声源使用。本文的主要内容是进行四边型弯张换能器宽带特性以及低频指向性的研究。　　首先，介绍了四边型弯张换能器的基本结构特点、工作方式以及工作原理，并确定利用ANSYS有限元软件进行辅助设计。在此基础上提出了一种对称式四边型弯张换能器结构，建立其有限元模型，对主要振动模态及其特征、空气中及水中的电声特性、振动位移特性、预应力及静水压情况进行了分析，通过优质因数的计算说明四边型弯张换能器在单位体积或单位质量下具有较高的辐射功率。之后根据对称式四边型弯张换能器本身的振动特性，以及壳体结构参数对发送电压响应的影响，总结出了单谐振峰工作时拓宽频带的方法，样机计算结果表明其具有良好的宽带发射特性。　　根据前面的分析，随后提出了一种形成心形指向性的新方法，并设计出具有低频心形指向性的四边型弯张换能器。通过非对称辐射面和非对称激励振子的设计，使四边型弯张换能器前后两个辐射面振动位移形成强烈反差，达到单极子和偶极子的叠加效果，构建出心形指向性，并成功避免了常规方法对于电端的复杂设计。之后，从长短振子长度比例的角度分析其对指向性的影响，再从壳体结构参数与指向性和响应曲线之间的关系入手，得到了具体的变化规律。根据分析结果对换能器重新进行了设计，最终的样机仿真结果显示可以实现比较理想的心形指向性。　　然后，提出了一种混合激励宽带四边型弯张换能器，利用多个模态耦合的方法实现了换能器的宽带特性。先对双棒式磁路结构进行静态磁场和动态磁场的分析，并确定了最终的磁路形式，再建立出换能器的有限元模型，讨论压电陶瓷材料和稀土材料分别单独激励时换能器时的电声特性，计算了两种材料同时激励换能器时的发送电压响应曲线，并优化得到最终结果。　　最后，完成了对称式四边型弯张换能器和指向性四边型弯张换能器的制作与装配过程，并分别在空气中和消声水池中进行了相关特性的测试。测试结果显示，对称式四边型弯张换能器样机在2.4kHz～5kHz频段内，最大发送电压响应值为140dB，响应起伏小于4dB，可以实现宽带发射。指向性四边型弯张换能器样机水中谐振频率为1.8kHz，并在此频率下形成了一定的心形指向性，前后辐射面之间的最大值与最小值之间相差13dB，此外，样机在1.6kHz～3kHz的频率范围内具有较好的宽带性能。
作者：	李宽
专业：	水声工程
导师：	李琪
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文