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原文传递超宽带中高频换能器研究

论文题名：	超宽带中高频换能器研究
关键词：	声纳设备;高频换能器;超宽频带特性;纵振模态
摘要：	为适应复杂的水下环境，满足多变的任务需求，先进的声纳设备必须具备更宽的工作频带。超宽的工作频带可为应用提供更多的工作频点、可获取更多的水下信息、进一步提高系统的抗干扰能力和稳定性，对提升声纳设备的综合性能具有重要意义。大量的水声声纳工作于10kHz以上1MHz以下的中高频段，此频段内的声信号主要由中频纵振换能器和高频1-3型压电复合材料换能器产生，本文针对如何实现这两种换能器的超宽频带特性（宽度大于两个倍频程）展开研究。　　超宽带的形成要求换能器可激励出多个谐振。纵振换能器外观呈柱状，主要工作在纵振动下;1-3型压电复合材料由其内部若干压电小柱驱动，谐振特性同样取决于小柱的纵振动，小柱的纵向谐振产生复合材料宏观的厚度谐振。高阶纵向振动是柱状振子固有的振动模式，使用高阶纵向谐振拓展带宽可以保持换能器结构简单，无需通过设计复杂的结构引入其他谐振。然而，激励出多个连续、可耦合、强度相近的纵向谐振存在一定难度，本论文将从以下几个方面开展研究。　　首先，建立一维柱振子分析模型，通过改变驱动区域的位置、长度和驱动电压产生不同驱动方式。基于前四阶纵振模态，对高阶纵向谐振的激励原则进行探索，当驱动产生的形变形式与纵振模态匹配时，此模态对应的谐振可被激励出。谐振间出现的响应深坑导致谐振无法耦合，经研究可知，将驱动区域布置于靠近背衬端远离辐射面，并调整驱动长度可消除频带内的响应深坑。另外，高阶谐振处的响应值远高于一阶谐振处的响应值，为获得平坦的响应曲线，要求频带内各个谐振处的发射响应值互相接近，参考振动模态，引入抑制高阶谐振的驱动，此时振子的纵向分布多段驱动，通过控制驱动违背模态的程度削弱高阶谐振，平衡各个谐振的响应值。最后，根据上述研究结果，为实现超宽带中高频换能器提出一般设计原则。　　提出一种双层1-3型压电复合材料高频换能器，下层驱动而上层不驱动。采用有限元法分析下层厚度和压电相体积分数对发射电压响应的影响，探讨上层也被驱动时频带的变化，还对匹配层的使用对频带波动的影响进行研究，结果表明，匹配层可进一步改善频带波动，最终实现了100kHz-1 MHz高频范围内的超宽工作频带。　　随后，将所提出的设计原则应用于中频纵振换能器，提出一种双驱动堆纵振换能器。首先建立纵振换能器的一维理论模型，探究尾质量长度和驱动堆长度对响应深坑在频带中位置的影响，将深坑排除在所研究的频带之外。分析两个驱动堆的长度对三个响应峰值的影响规律，提出频带波动的调节方法。此外，采用有限元法分析头质量的弯曲模态对频带波动的影响，优化两个驱动堆的长度，最终在15-70kHz的频率范围内形成一个较宽的工作频带。　　为解决中频换能器的超宽带发射问题，本文进一步提出一种三驱动堆纵振换能器，可激励出前四阶纵向谐振，此时换能器的纵向结构变得复杂，交替分布多个驱动堆和被动区域，需要优化的变量较多，传统的优化方法显得乏力。本文引入模拟退火数学优化算法，结合一维等效电路理论，可高效地对多个变量同时优化，最终得到使各个谐振的响应值一致的驱动方式。换能器的实际结构对频带有影响，为获得准确的设计结果，需对换能器进行有限元再优化，以模拟退火优化得到的结果为基础，微调各个变量，很容易获得最优结果，最终在15-90kHz的中频范围内形成一个超宽的频带。
作者：	季博成
专业：	水声工程
导师：	洪连进
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022