电动式换能器:结构、性能及其在声学模拟和校准中的应用与发展趋势

电动式换能器以其小尺寸、超低频、超宽带发射的特点,在舰船辐射噪声模拟、声呐系统校准等领域具有广泛应用。总结了电动式换能器的结构及性能特点,讨论了超低频、超宽带发射的原理,回顾了电动式换能器驱动磁路优化、工作频带拓宽、工作深度提升等相关工作。针对电动式换能器研究中的非线性问题,提出了优化驱动磁路来降低输出力的非线性效应、改善电动式换能器与功率放大器的阻抗匹配以降低波形畸变及谐波失真。对于声腔对换能器性能的影响,可以通过在声腔内充入特性阻抗较小的气体以抑制声源级响应起伏现象。电动式换能器未来的研究应以改善大深度环境下超低频段的声辐射性能、提升连续工作时间及可靠性、降低非线性失真为主要方向。

Janus-Helmholtz换能器的振动模态谐振频率理论分析研究

Janus-Helmholtz换能器利用驱动振子纵向谐振与Helmholtz谐振腔的液腔谐振耦合,具有大功率、宽带声发射特性.传统观点认为导纳曲线中低频谐振峰对应液腔谐振频率,而高频谐振峰对应纵振动谐振频率,然而大量的实验研究发现该结论存疑.本文结合一只Janus-Helmholtz换能器实验样机的实验结果,运用等效电路法结合有限元法分析并求解了驱动振子纵向模态的谐振频率,使用有限元法分析并求解了Helmholtz谐振腔的液腔谐振频率.研究结果表明,与传统观点相反,导纳曲线中第1个谐振峰为驱动振子的纵向谐振,第2个谐振峰为Helmholtz谐振腔的液腔谐振;Janus换能器4个大尺寸辐射面带来的可观辐射质量是造成纵向振动谐振频率在水中大幅度下降的原因;Janus-Helmholtz换能器中存在两个等体积的Helmholtz共振腔而非传统认为的仅存在一个共振腔.这些结论对于正确认识Janus-Helmholtz换能器的结构及性能特性起到了正本清源的作用,也为优化创新该换能器的结构、改善换能器的声发射特性提供了技术支撑.

外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器

为获得具有大功率无指向性发射特性的水声换能器,提出了一种外液腔式Janus-Helmholtz结构。通过设置隔声层改变换能器的声辐射模式,从而改善声辐射效率和无指向性方向的声辐射能力,并利用外液腔振动和Janus换能器纵向振动耦合实现宽带发射。基于有限元法设计了一只工作频段为1.1~3.5 kHz的外液腔式Janus-Helmholtz换能器试验样机。样机测试结果显示与设计结果符合得较好,与内液腔式相比,外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器在0°方向的声辐射能力得到了显著改善。

Helmholtz水声换能器弹性壁液腔谐振频率研究

针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性,将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中,实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计.基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型,导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式,得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图,给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式.利用ANSYS软件建立了算例模型,仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率.结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好,相比起传统的刚性壁理论计算结果,本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低,与真实情况更加接近.本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.

Janus-Helmholtz水声换能器理论问题研究

为了解决Janus-Helmholtz水声换能器研究中的理论问题,通过互辐射模型时的Janus-Helmholtz水声换能器等效电路,分析了Janus换能器纵振动谐振频率在水中升高的原因;通过对Janus换能器纵振动和液腔振动的相频曲线的分析,得出了Janus-Helmholtz水声换能器宽带发射的机理,研究了腔体弹性对Helmholtz声学性能的影响规律。设计了工作频段为1~3 k Hz的Janus-Helmholtz换能器试验样机,样机的测试结果表明其振动及声学特性与理论研究结果相符。

高校教学团队建设的几点思考

教学团队是高校从事教学与科研工作的基本单元,团队实力强则高校教学科研水平就高,培养出的人才能力也强。因此本文从教学团队建设的现状出发,结合管理学多个理论对提升教学科研团队凝聚力、提高团队实力诸多因素进行了分析,并提出了解决方法。

声腔对电动式换能器工作特性的影响

传统的电动式换能器设计理论中,未考虑压力补偿系统等声腔结构对声学性能的影响,声源级理论设计结果与实测结果存在较大差别。研究中将电动式换能器内部的三段气腔视为突变截面声腔结构,给出了声腔的四端网络等效电路,将其作为辐射面的负载添加到电动式换能器的传统等效电路中,获得了电动式换能器改进的等效电路。基于改进的等效电路求解了带有声腔结构的电动式换能器声源级曲线,该曲线与有限元仿真分析结果基本一致,验证了该改进的等效电路在预报电动式换能器声源级方面的正确性。基于该等效电路研究了声腔的结构尺寸、末端声学边界及腔内气体声学参数对声源级起伏特征的影响。结果显示,在声腔末端敷设吸声材料或在声腔内充入特性阻抗较小的气体对于抑制或消除声源级起伏具有明显作用。

弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔换能器

使用双面同相振动的弯曲圆盘换能器驱动双Helmholtz共振腔,既放大了弯曲圆盘换能器弯曲共振频率以下频段的声输出,又利用两个Helmholtz共振腔的同相声源辐射模型实现了在Helmholtz共振频率处的"∞"字形垂直指向性,实现了低频指向性声发射。阐述了换能器实现"∞"字形低频指向性发射的机理,研究了腔体长度、金属圆片厚度及弯曲圆盘边缘简支厚度等关键结构参数对Helmholtz共振频率的影响,求解了换能器的发送电压响应、指向性等参数。依据仿真结果制作了实验样机,在消声水池中进行了电声性能测试。测试结果显示,指向性形状及液腔共振频率与仿真结果基本相符。这种由弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔水声换能器为实现水声换能器小尺寸、低频指向性发射提供了一种技术手段。

高压注浆处理缺陷桩基效果分析

在机械成孔灌注桩施工中,尽管采取各种方法和管控措施进行施工,由于地质条件、机械设备、人为因素及管控因素等原因,但桩基施工隐蔽性太强,不确定因素太多,成桩后难免会出现缺陷桩现象。一旦桩基出现缺陷,均存在质量安全隐患。对于缺陷程度严重的桩基必须报废返工重建或通过加桩方案处理,但对于缺陷程度轻且缺陷问题对结构质量和使用功能不构成严重影响的可通过妥善的处理方法和措施进行补强加固处理,消除缺陷问题,使桩基同样达到质量验收标准,满足其正常使用功能。对于不同缺陷程度有不同的处理方法,高压注浆技术作为一种对缺陷桩基补救加固手段已被广泛采用,此方法经济合理、工艺简单、质量可靠,是目前桩基出现缺陷后首选的补救加固手段。结合实际采用高压注浆成功解决桩基缺陷问题,进一步对高压注浆处理桩基缺陷后的效果进行阐述。

空腔式前盖板宽带纵向换能器研究

纵向换能器实现宽带性能有较多方法,但是拓宽频带有限。为了改善宽带性能,在传统纵向复合棒换能器的基础上,通过在前盖板处开有空腔结构来产生多种振动模态,利用多模态耦合原理实现换能器更宽频带性能。利用ANSYS有限元软件对换能器进行优化设计并制作了试验样机,测量得到在4.5-14 k Hz的频带内,换能器的最大发送电压响应值为148.9 d B,响应起伏9 d B。仿真分析与实验结果表明,与传统的纵向换能器相比,空腔式前盖板纵向换能器在拓宽频带方面效果显著,达到了一个倍频程以上。

电动式换能器声源级起伏改善实验研究

电动式换能器由于存在内部声腔,导致辐射面上的负载在频域上出现极值,使得电动式换能器的声源级响应出现起伏,给电动式换能器在宽带噪声模拟领域的应用带来了挑战。依据电动式换能器含有声腔的等效电路分析结果,针对无声腔、有声腔、在声腔底部设置吸声棉和在声腔内充入氦气4种情况,使用加速度计测试了辐射面的输出振速,归算出声源级曲线并加以比较。实验结果验证了声腔谐振导致电动式换能器频响曲线出现起伏;在声腔内充入特性阻抗小的气体可有效地将声腔的谐振频率调节至工作频段以外,从而实现电动式换能器在质量控制区平坦的响应输出。

桩基施工导致地下水位上升问题分析——以遵义市凤新快线建设工程一标段主线桥梁7#桥墩桩基施工为例

岩溶地下水系统是具有确定边界、独立补径排系统的水文地质单元,受含水介质、地下水动力条件等因素控制,岩溶地下水系统具有“小型、复杂、多样”的特征,不同类型的岩溶地下水系统中,地下水的赋存条件、水动力条件、水动态特征均不同,尤其在城市人类工程活动强烈地区,由于地质条件、水文地质条件复杂,人类工程活动会改变地下水的径流途径或抬高地下水位。文章以遵义市凤新快线高架桥桩基施工造成地下水位上升导致地下室渗水事故为例,针对桩基施工堵塞岩溶管道导致地下水位上升的问题进行综合分析。

铝土矿矿碴弃土边坡生态修复及治理方案设计

铝土矿作为一种重要的矿产资源,在全球范围内被广泛开采。然而,铝土矿的开采过程中会产生大量的矿碴和弃土,形成铝土矿矿碴弃土边坡。针对这些问题,研究采用基于植被混凝土的生态修复方案,结合挂网加筋技术,对铝土矿矿碴弃土边坡进行治理。试验结果显示,在5个月内,边坡稳定性系数从1.05增至1.28,植被覆盖率从65%升至92%,证明该方案显著提升了边坡稳定性和生态环境质量。研究所提铝土矿边坡治理方案在提升土壤有机物含量、增强边坡稳定性及促进植被恢复方面表现优异,为矿区生态修复提供了有效手段。

径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性研究

对径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性进行了分析。该换能器由一个厚度极化的压电陶瓷实心圆盘和一个金属圆环在半径方向复合而成。论文首先研究了压电陶瓷圆盘及金属圆环的径向振动,推出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,利用换能器的径向边界条件,得出了径向复合压电陶瓷换能器的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器的共振频率和有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的依赖关系。设计并实际制作了一些径向复合超声换能器,对其径向共振及反共振频率进行了测试,并利用有限元法进行了数值模拟。研究表明,利用文中理论得出的换能器的共振频率与实测值及数值模拟结果基本符合。

基于能量修正法进行大尺寸指数型超声变幅杆准确设计

基于能量修正法修正了大尺寸变幅杆纵振动共振频率方程,得出了其修正频率表达式,分析了大尺寸指数型变幅杆的共振频率修正值,并利用有限元软件ANSYS对一组大尺寸指数变幅杆进行了模态分析．结果表明,比起一维理论值,修正后的频率值更接近于有限元仿真分析结果,变幅杆的尺寸越大(即径长比越大)这种修正效果越明显。

阶梯型径向振动环形变幅器的振动特性

文中首先对各向同性弹性薄圆环的径向振动进行了研究,得出了其等效电路。在此基础上,对由双金属圆环组成的阶梯型径向振动变幅器进行了探讨,推出了其径向振动的复合等效电路及其共振频率方程。分析了此类径向振动变幅器的共振频率及径向位移振幅放大系数与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法,对变幅器的径向振动特性进行了数值模拟,结果表明,数值结果与解析结果符合很好。

多液腔Janus-Helmholtz水声换能器

为了进一步拓展Janus-Helmholtz换能器的工作带宽,提出一种多液腔Janus-Helmholtz换能器结构,采用有限元的方法对多液腔Janus-Helmholtz换能器的结构参数进行优化设计.依据优化结果制作了一个多液腔Janus-Helmholtz换能器试验样机.测试结果显示,仿真结果和实验结果基本相符.相比传统的Janus-Helmholtz换能器,多液腔Janus-Helmholtz换能器可有效地拓展工作带宽,是一种理想的低频、宽带、大功率、小体积、深水换能器.

低频大功率Janus-Helmholtz换能器的设计

阐述了Janus-Helmholtz换能器宽带工作的机理,运用有限元软件ANSYS对Janus-Helmholtz换能器的结构参数进行优化设计,研究了腔体结构尺寸对工作带宽等电声参数的影响规律.设计制作了一个工作带宽为500～2 000 Hz的试验样机.水池测试结果显示,仿真结果和实验结果基本相符.验证了有限元仿真结果的正确性,表明有限元方法是研究液腔振动和设计宽带Helmholtz换能器的可信手段.

带类余弦过渡段阶梯形变幅杆扭转振动特性研究

基于传递矩阵算法,推导出了变截面杆扭转振动时等效四端网络参量的一般表达式,研究了带类余弦过渡段阶梯形变幅杆扭转振动频率方程与角速度放大倍数及外表面切向速度放大倍数等的关系.结合阶梯形变幅杆两段长度相等的情况,分析了系统的扭转振动特性,得出了过渡段参数和阶梯形变幅杆参数的关系图像.结果表明,文中得出的一般表达式适用于带类余弦过渡段复合阶梯形变幅杆的扭转振动特性描述.