水声材料声振特性的驻波管测量方法

提出了一种基于驻波管的测量方法,以获得水声材料在静水压条件下的声学和振动特性参数。设计了带有气压补偿功能的低频发射换能器,作为驻波管的声源,通过水柱将换能器的平面活塞振动耦合到水面下的被测样品。在被测样品背衬上安装加速度计,测量样品背面振速;同时在管壁中嵌入一对水听器,测量水柱声压。导出样品声波入射面的振速和声压,进而计算出样品前表面和背衬面之间的振速传递系数(去耦系数)、样品的输入阻抗和声压反射系数。建立低频驻波管测试系统,声管尺寸为内径300 mm、外径600 mm、高3 m,工作频率范围100~1000 Hz,利用水层样品和多层穿孔橡胶样品开展了实验研究。实验结果显示,测量数据与仿真计算数据吻合较好,验证了测量方法的有效性。

单端激励的压电细棒纵振特性分析建模

针对单端激励的压电纵振换能器中激励部分与被激模态之间的关系问题,使用压电细棒分布参数模型构建等效电路,通过计算其力学阻抗的零极点,研究了激励部分的长度与所激发模态之间的关系以及被激模态的谐振特性。通过有限元方法建立具体算例,仿真分析了不同激励长度对压电细棒谐振特性的影响规律。对比分析结果表明,理论模型与有限元仿真计算吻合较好。研究结果可为单端激励方法以及多模态纵振换能器的设计提供理论依据。

压电圆环径向弯曲振动与激励研究

针对压电圆环换能器的径向弯曲振动问题,从薄壳理论出发进行相关数理推导,讨论了压电效应的影响及电学短路与开路下的弯曲振动方程.进行相关解析求解,给出了两种条件下的多阶谐振频率预测公式,并利用有限元法分析了两式的适用范围.使用模态理论,定义模态权值函数,研究了电学激励条件对多阶弯曲振动模态的具体影响,得到了单模态激励、局部等幅激励和单端激励等作用于多个目标模态的有效方法.经有限元仿真(FEM)、实验与理论对比验证,三者吻合较好,相关结论可以为压电圆环弯曲振动模态识别、模态激励的精细化调控提供理论基础.

铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器

针对深水、低频、宽带换能器的技术需求,结合Janus-Helmholtz换能器的结构特点和铁镓单晶材料低场应变大及机械强度高的特性,提出了铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器设计方案。采用永磁偏磁场和环形闭合磁路,建立了一系列铁镓单晶磁致伸缩换能器理论分析模型,包括对磁致伸缩材料参数进行线性化处理,设计了换能器最佳工作点,结合静态磁场和动态磁场分布情况分段细化换能器驱动等效参数,以及利用全阻抗模型通过电感损耗等效计算换能器静态阻抗,然后通过二维有限元分析等效模型,优化分析了换能器的结构参数与电声性能。最后制作了换能器样机,并进行了测试与分析。对比仿真和测试结果表明:全阻抗模型得到的阻抗曲线与样机测试结果相一致,有限元等效模型计算的发送电流响应与样机测试结果良好吻合。换能器样机水中谐振基频为1000 Hz,谐振频率下发送电流响应176.4 dB;在875~2300 Hz频率范围内,发送电流响应起伏不大于6 dB;增加驱动电流有效值到16.2 A,最大声源级可以达到196.2 dB。

铁镓Janus-Helmholtz换能器非线性驱动

利用磁路法理论分析了磁阻对铁镓驱动磁场的影响,结果表明磁路中无永磁体时铁镓驱动磁场是有永磁体时的5倍以上,结合铁镓材料近似线性区小的特点,提出了一种无偏场非线性驱动方式。首先利用帕德逼近方法近似铁镓材料的磁化过程,得到磁场强度与磁致伸缩应变的关系,进而得到驱动电信号表达式,在此基础上提出了铁镓换能器的非线性驱动模型。设计研制了无偏场铁镓Janus-Helmholtz换能器样机,通过振动特性实验分析验证非线性驱动模型的可行性,最后在水中测试了换能器的发射性能。测试结果表明,采用无偏场非线性驱动的换能器在驱动电流为9.4 A时,声源级可达到198.2 dB,相对于永磁偏置磁场的换能器,声源级高了4 dB,发射性能得到了明显的提升。

两端开口圆柱形液腔低频谐振辐射特性

为研究两端开口圆柱形液腔的低频谐振辐射特性,建立了其在低频近似条件下的分布参数模型,由电-力-声类比得到了等效振动模型,给出了无声负载下的谐振频率表达式。随后利用“长度等效方法”建立了液腔在辐射条件下的自辐射等效模型和声场辐射等效模型,给出了液腔的修正长度、谐振频率及指向性函数,并讨论了弹性壁条件下的情况。结合有限元法研究了刚性(弹性)壁条件下,圆管结构特征参量对液腔一阶谐振频率的影响规律,给出了自辐射等效模型满足求解精度的条件,并利用压电效应激励液腔一阶谐振,讨论了其声场辐射特性。对比结果表明:液腔一阶谐振频率的等效模型计算值与有限元仿真值符合较好,误差低于5%;液腔的修正长度为4a/π,液腔在一阶谐振下近似呈“∞”型指向性。此模型将两端开口圆柱形液腔类比为“液体圆棒”,即可将液腔视作液腔类水声换能器结构的一部分,提供了从分布参数模型角度分析此类换能器工作机理与辐射特性的理论支撑。

800Hz Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

本文研制了８００Ｈｚ Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ鱼唇式弯张换能器，换能器设计中采用永磁偏磁场和能有效抑制涡流损耗的闭合磁路结构，最高声源级１８５ｄＢ，－３ｄＢ带宽１８０Ｈｚ。这种鱼唇式弯张换能器克服了连续直流提供偏磁场时发热强的缺点，并且仅需要普通的功率放大器，更适于长时间连续工作，使这一新型低频大功率水声换能器趋于实用化。

Terfenol-D超磁致伸缩换能器的有限元模拟

本文研究了利用ANSYS软件分析磁致伸缩换能器，使这一有限元分析软件能够用于TerfenolD换能器的分析设计。设计了14kHzTerfenol－D纵向技能器，计算结果与实验结果符合很好。

宽带宽波束纵向水声换能器研究

本文通过设计纵向水声换能器辐射头的形状及利用其弯曲振动模,实现宽带宽波束辐射特性,采用后质量块的嵌套结构有效缩小了换能器的长度。利用ANSYS有限元软件模拟了小型宽带宽波束纵向水声换能器的电声特性。研制了换能器样品,实现了与有限元模拟计算结果相一致的电声参数:谐振频率14kHz,最大发射电压响应141．9dB,-3dB带宽为11．3～18．7kHz,-3dB带通Q值为1．9,在14kHz频率下波束宽度为132°,比通常纵向换能器波束宽度宽23％。

圆盘型弯张换能器研究

弯张换能器和弯曲圆盘换能器利用金属结构体的弯曲振动产生声辐射,是低频水声发射器广泛采用的结构形式.提出将两者联合的设计思想并设计研制了一种圆盘型弯张换能器,换能器结构中采用径向极化的压电陶瓷(PZT4)圆环驱动弯曲圆盘振动,圆盘的中间部分设计一个圆拱型内凹结构,其工作方式类似于V型弯张换能器的单侧振动壳,圆盘外面的环形部分采用20 mm的均匀厚度,并且加工径向槽分割成16个均匀的扇形结构.研制了换能器样品,通过ANSYS分析和水池测试得到换能器的电声性能:换能器谐振频率为1 800 Hz,最大发射电压响应为110 dB,最大声源级为170 dB,电声效率为76%.换能器样品直径210 mm,厚度46 mm,重量仅3.8 kg.结果表明:这种换能器具有低频小尺寸高效率的特点,在小型低频声纳发射系统和主动噪声控制系统方面将有良好的应用前景.

超声空化的电化学检测及混响场空化效应的研究

本文提出并设计了超声空化的电化学检测法,实现了通过分析样品的电学量变化来检测声空化.通过对混响场空化效应的研究,定性分析解释了混响场中空化饱和现象.

ANSYS软件在模拟分析声学换能器中的应用

ANSYS是通常用于分析和设计声学换能器的有限元软件之一,通过实例给出分析声学换能器的处理过程,包括建模、施加载荷、设置求解选项、使用后处理器、以及获得换能器振动辐射参数的一般过程,并涉及宽带换能器、矢量换能器的发射与接收问题,对ANSYS有限元软件模拟换能器的一些经常遇到的问题细节的处理方法做了较全面的概括。还简要讨论了流体中结构模态分析的一般处理方法,对结果数据进行数学运算操作并获得换能器的特性参数等等。

Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

提出了一种“鱼唇式”弯张换能器的设计方案，采用变高度椭圆壳体，这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用，并设计制作了Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器。理论分析和湖上实验结果表明，Ｔｅｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器，具有较低的谐振频率，水中约为 １．１ｋＨｚ左右；较宽的频带，－３ｄＢ带通 Ｑ值低于 ３；发射电流响应为 １８２ ｄＢ；采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度．

Ⅳ型弯张换能器振动辐射特性分析

本文利用等效电路支路阻抗分析方法，研究了Ⅳ型弯张换能器振动辐射特性与换能器结构之间的关系，得出一系列对换能器设计有用的结论．

弯张换能器的等效电路支路阻抗分析方法

本文提出了适用于弯张换能器的等效电路支路阻抗分析方法，归纳总结了一些描述Ⅳ型弯张换能器振动辐射的特性参量，通过支路阻抗分析方法计算这些特性参量可以进行换能器局部结构的优化设计．

水声换能器研究新进展

文章综述了几种典型结构水声换能器近些年的新发展,包括:弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等,主要介绍这些结构类型水声换能器的设计新思想和多方面优化改进的新成果。

无障板圆形活塞换能器波束特性建模

针对ka<π时无障板活塞声源波束特性不能用无限平面障板活塞换能器理论进行描述的问题,提出一种基于有限元方法结合曲线拟合的简便数学建模方法.模型采用了无限平面障板活塞换能器理论的基本函数表达,通过增加修正因子函数来改变模型的细节部分,用曲线拟合方法给出了较准确的两个修正因子函数的数学表达式。最终建立了无障板圆形活塞换能器波束特性经验公式模型,模型在ka为0.03~5.2范围内与有限元方法给出的波束曲线相一致,并且在ka取更大值时与无限平面障板活塞换能器理论公式等效.

指向性弯张换能器

针对指向性弯张换能器双振源驱动的幅度相位调控的复杂性问题,本文提出一种指向性弯张换能器结构,采用径向振动PZT圆环驱动一凸一凹弯曲振动球冠帽复合结构实现指向性发射。通过一对凸凹振动臂的不等幅振动激发单极子与偶极子的工作模态,叠加形成指向性。换能器拥有较小的几何尺寸:∅100 mm×37 mm。利用有限元方法进行换能器结构设计和振动辐射特性分析,在3675 Hz频率处最大发射电压响应为119.8 dB、最大声源级可达180 dB。在3400 Hz频率处辐射指向性前后最大声压比为-27.4 dB,形成“心形”指向性波束。在3200~4000 Hz频带内发射电压响应起伏约为4 dB、频带内辐射指向性前后声压比超过-5 dB。

无障板圆形活塞换能器的辐射阻抗

辐射阻抗是换能器的最重要辐射声场特性参数之一,影响着换能器的谐振频率、频带宽度、效率以及辐射声功率等。经典声学理论用一阶贝塞尔函数和斯特鲁夫函数给出了圆形活塞换能器辐射阻抗的数学表达式,但仅适用于无限大障板条件。该文用ANSYS有限元软件计算了无障板圆形活塞换能器的辐射阻抗,给出了数值解结果,通过与无限大障板条件下的理论结果相比较,显示了二者之间的偏离情况,尤其是在低频时差异显著。为了借助MATLAB工具模拟无障板圆形活塞换能器的辐射阻抗,并给出较准确的数学表达,选择了一系列初等函数以及它们的复合函数进行曲线拟合,最终给出了辐射阻和辐射抗关于ka的函数表达式,在ka值从0.08到20范围内与有限元计算结果很好吻合。

散射条件下声源分离及参数获取的平行障板方法

声呐系统或水声设备湿端不可避免存在某些散射体,克服散射体干扰对声源本身辐射特性进行测量目前还缺乏简捷有效的方法。依据刚性圆盘散射规律,通过有限元建模分析了与观察方向平行布设的刚性圆盘对声源辐射特性的影响规律,结果表明:在满足远场条件时,在较小的允许误差范围内观察轴线上声压幅值分布与引入平行障板无关。并在此基础上尝试提出一种简捷有效的平行障板方法,实现散射条件下声源分离与参数获取。通过有限元仿真分析,在1kHz^20kHz频率范围内,半径0.4m、厚8mm的钢板对脉动圆管声源级分离测量引入误差在±0.6dB以内。