宽带纵振Tonpilz型水声换能器的优化设计

文章研究了拥有喇叭型前辐射头的纵振Tonpilz型压电水声换能器的参数优化问题。希望可以通过合理的调整Tonpilz型换能器各部分的几何参数,得到满意的频带宽度。研究结果表明,在没有采用其它频带展宽方法的前提下,通过优化几何参数,可以降低换能器的机械品质因素Qm,从而增大带宽。

宽频带径向极化压电圆管水声换能器研究

利用径向极化的压电圆管制作了一种便携式宽频带换能器。依据薄膜理论模型,分析了压电圆管的振动特性,主要应用有限元法对其进行优化设计,并给出了薄膜理论、有限元法和试验数据的一个对比,结果表明:有限元法设计准确,研制的宽频带换能器满足实际应用的要求。

基于APDL宏和VB封装的水声换能器有限元分析

为了有效地避免水声换能器有限元优化设计过程中的重复操作,以及降低对设计者专业技术门槛的限制,对AN-SYS的二次开发技术进行了研究。通过APDL(ANSYS parametric design language)宏和VB封装技术的结合使用,在后台调用ANSYS批处理模式执行相应的宏文件,实现了水声换能器的交互式参数化设计。以I类凹筒型弯张换能器为例开发的软件应用情况表明,换能器交互式参数化设计有效可行,并且操作简单,显示直观,具有十分重要的工程应用价值。

Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计

超声传感器是一种电声转换器件,其敏感元件压电陶瓷控制传感器的主要性能。设计了一种谐振频率为140 kHz的Tonpilz型压电陶瓷超声传感器,从压电方程入手,建立了不同的理论模型,对等效网络法和有限元法2种不同的设计方法进行了比较。相应的试验表明:有限元法的分析结果直观明了、建模快捷、分析准确,其误差可控制在5%以内。设计研制的Tonpilz型传感器工艺简单、造价低廉、性能稳定。

弯张换能器的有限元及边界元分析

利用有限元法和边界元法相结合的方式,对I类凹筒结构弯张水声换能器进行了全面的分析。具体方法是借助于网格模型数据和计算结果数据共享的思想,将有限元法的结构、振动分析优势同边界元法的声场分析优势互补起来。相关试验表明,这种相结合的分析方式更全面、准确,是对水声换能器性能分析和优化设计手段的有益完善。

溢流式嵌镶圆管发射换能器的有限元分析

溢流式嵌镶圆管水声换能器是一种有效的低频宽带发射器，一般存在2种可供利用的谐振方式，即溢流环的液腔谐振和嵌镶圆管的径向谐振。本文首先应用解析的方法获得2种谐振的频率方程，然后应用有限元法建立了一个对称结构的溢流式嵌镶圆管换能器模型，通过ANSYS软件分析换能器的振动情况和响应曲线，并与解析法进行了对比。根据设计制作了溢流环换能器样件，并通过了相应的消声水池试验，试验结果表明，有限元模型计算准确且快捷，显示直观，其谐振频率设计误差可控制在5％以内。最终制作的换能器拥有2．35kHz的液腔谐振频率和6．4kHz的径向谐振频率，最大发射电压响应级为141．97dB，其径向谐振的-6dB带宽为3．9-9．4kHz，可提供全频段的发射带宽（包括液腔谐振在内）为2．1～10kHz±4dB。

基于切向极化薄壁压电圆管的水听器研究

基于切向极化薄壁压电圆管结构研制了高灵敏度水听器。依据薄膜理论,由压电圆管的几何方程、振动方程和压电方程推导出其频率方程。通过振动分析获得圆管径向和轴向谐振频率的工程设计公式,确定了薄壁圆管结构对其接收灵敏度的影响。应用有限元法完成圆管水听器的性能仿真,制作了水听器样品,测试结果与理论分析相吻合。水听器样品在测试频段内最大接收灵敏度级达-179.1dB。

并串结合多元一体化教材建设创新模式——以水声学系列教材为例

通过瞄准海洋工程大类人才培养,立足知识的科学性和逻辑关系,对水声学知识体系进行梳理,并对其多元性和一体化特征进行探索。结合教、学、写的行为方式,通过统筹规划教材建设的思路、模式和策略,应用并行与串行相结合的方式方法,进行水声学系列教材的建设。

Terfenol棒抑制涡流的有效方式及其有限元设计

从描述电磁场宏观性质的Maxwell方程着手,借助于电磁位对(A,V-A),应用有限元技术,对Terfenol棒几种不同开槽方式抑制涡流损耗的情况进行了分析,结果说明,这种三维涡流有限元技术,可很好地预测Terfenol棒内的涡流分布,仿真结果为Terfenol棒抑制涡流的狭缝切割方式提供了强有力的依据,从而避免了对这种昂贵材料切割的盲目操作。对比3种不同结构的Terfenol棒涡流有限元分析结果,可知提出的梳妆开槽狭缝切割结构在抑制涡流损耗上的效果是显著的。

水下冲击波聚焦声场非线性建模与分析

通过聚焦可大幅提高水下冲击波声场的声压级。由于水下冲击波聚焦声场声压级高、瞬时性强,因此观察和测量难度较大,对测量设备的灵敏度要求较高。概述了水下冲击波的产生及聚焦原理,利用压力传感器实测了冲击波聚焦波形,采用有限元分析软件ANSYS建立了水下冲击波聚焦声场的有限元模型,仿真了水下冲击波聚焦声波的非线性传播过程和声场分布,对比分析了仿真结果与压力传感器实测波形、高速摄影机实拍的冲击波聚焦声场纹影图的相符性,仿真得出水下冲击波聚焦声场峰值压力的变化规律。仿真结果与实验测量、高速摄影实拍图高度吻合,说明仿真模型的正确性及利用ANSYS研究水下冲击波聚焦声场的可行性、有效性。

宽频带换能器电匹配网络设计方法

宽带大功率换能器是现代水声发展的一个重要方向,换能器与功放间的匹配也是其关键技术之一。文中从换能器负载阻抗复角与功放管耗散功率及电源供电效率的关系入手,结合窄带阵元串联或并联调谐方法的特点,确定了适合宽带阵元电匹配网络的电路形式。并针对研制的宽带换能器进行了大功率发射试验,取得了较为满意的结果。

水下声成像中旁瓣抑制方法及其实验研究

提出了一种近场条件下采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理的水下声成像旁瓣抑制方法,并进行了理论和实验研究。考虑以球面波传播理论为基础的聚焦波束形成,首先通过阵元位置微调,设计了可实现低旁瓣的不等间隔阵,从单程波束响应上降低旁瓣;然后,将孔径变迹处理方法应用于水下声成像中,全部阵元用于接收,部分阵元用于发射,从双程波束响应上进一步降低旁瓣。通过水池实验对所提出的方法进行了验证。结果表明:采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理可以更为有效地降低旁瓣,而主瓣仅有小量展宽,且该方法工程应用简便易行,在改善成像质量的同时降低了系统复杂度。

凹筒型换能器性能参数与开缝数之间关系的研究

凹筒形换能器具有频率低、功率大、尺寸小、重量轻等诸多优点,且其独特的外型结构适合于组排基阵,有较好的应用前景。为易于产生径向弯曲振动,通常沿轴向等间距开缝,以降低径向刚度。开缝数太少,不利于达到预期目的;开缝数太多,又可能引起声源级的降低。本文计算了凹筒型换能器开缝数与换能器声性能参数之间的关系。实验测试与理论计算比较符合。

基于Lorenz混沌调频的水下正交波形集设计

针对网络水下航行器组联合探测情况下各网络节点间信号会互相干扰的问题,基于Lorenz混沌模型,提出一种混沌调频(Chaos Frequency Modulation,CFM)的正交波形集设计方法。首先建立基于Lorenz序列的CFM信号模型,对其进行相关特性分析和正交特性研究,包括CFM正交波形集的个数和波形长度对波形集正交性能的影响,提出对混沌序列进行加窗函数处理的CFM波形集正交性优化方法;然后构造网络水下航行器组分别发射线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号和CFM信号的回波模型,对比分析了匹配滤波器对回波信号的处理结果。仿真结果表明,该设计方法简便、灵活、高效,产生的CFM正交波形集性能良好,且相对于常规信号在水下信号检测方面具有明显的优势。

递阶拓展模式的水声学原理课程教学创新与实践

在培养面向建设海洋强国高层次人才背景下,该文针对海洋大类电类专业的学科基础课程水声学原理,以培养学生高阶能力为目标,提出递阶拓展模式的水声学原理课程教学创新模式。该教学模式从“课程平台—竞赛平台—校企平台”3个平台入手,重构教学内容,设计进阶式问题链,融合联想类比式、虚实结合式等多元教学方法,实现学生能力培养的梯度进阶。教学实践结果表明:该教学模式能够激发学生学习的主动性和创造性,提高学生的高阶能力。

Tonpilz型水声换能器的优化设计

本文研究纵振式水声换能器的参数优化问题.通过对纵振式Tonpilz型压电换能器的几何参数的合理调整,使换能器获得较小的机械品质因素Qm,从而展宽其频带宽度.研究表明,在没有采用其它频带展宽方法的前提下,通过优化几何参数,可以降低Qm值.