用于能量收集的基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构

为解决俘能结构频带较窄,仅能从一个方向对机械振动能量进行收集的问题,研发了一种基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构。建立了俘能结构的流-固-电耦合数学模型,利用数值模拟和实验测试对前置阻流体的单俘能结构、串列双俘能结构及并列双俘能结构等情况进行了研究,分析了这些结构的振动性能与压电特性。数值模拟与实验测试结果表明,风速、俘能结构间距、压电圆环直径以及俘能结构排列方式都会影响压电俘能结构性能。在数值分析中,并列双俘能结构输出电压最大,在当结构间距(L)与压电俘能结构外直径(D)之比为2、风速为7 m/s时,上下端俘能结构的最大输出电压分别为5.7和6.8 V,对应输出功率为165和193μW。实验测试中,在风速为7 m/s、L/D=2时输出电压出现最大值,其上端俘能结构的最大输出电压为3.7 V,输出功率为80μW;下端俘能结构的最大输出电压为5.2 V,输出功率为148μW。研究结果表明,双自由度嵌套式俘能结构及其阵列可适当提高结构的输出电压,可为研究涡致振动压电能量收集提供新的参考方案。

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。

改善压电圆管换能器设计的振动特性分析

运用弹性力学中的薄壳理论，分析了径向极化压电圆管换能器的振动特性，并在此基础上推导出换能器等效电路的阻抗特性，为换能器的设计提供了依据。分析及计算结果表明，本文的理论与以往常用的薄膜理论相比，不仅在物理概念上能给出更恰当的解释，而且在计算精度上也更接近实际。

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。

压电圆管换能器有限元分析设计研究

压电圆管换能器是一种低频、大功率水声换能器,它结构紧凑,声源级高,被广泛应用于航空吊放声呐、声呐浮标、拖曳线列阵等舰艇水声对抗设备中。随着计算机技术的迅猛发展,借助有限元手段研究设计压电圆管换能器更为方便可行。论文对压电圆管换能器进行有限元分析研究,只需建立压电圆管换能器的二维模型,便能描述其电声特征,如电导纳、谐振频率、辐射声功率等。

20~40kHz压电圆管换能器设计及测试

提出了一种水声测量领域常用的压电圆管换能器的设计,并应用有限元方法对压电圆管换能器进行研究。利用有限元分析软件ANSYS建立了圆管换能器的有限元模型,旨在优化换能器结构,分析换能器振动特性、电导特性和辐射特性。在此基础上,设计和制作了一个宽带无指向性圆管换能器.结果表明：换能器工作带宽为20-40 kHz,发射电压响应最大值为142 dB,发送电压响应起伏不超过±5 dB,具有良好的水平无指向性的发射性能。

空气背衬压电圆管和压电球壳耐压性能研究

为了解决大深度水听器的耐压问题,对空气背衬压电圆管和压电球壳换能器的强度与稳定性失效进行了理论计算,并使用有限元仿真软件对其进行结构静力仿真和特征值屈曲仿真。计算和仿真结果表明,空气背衬压电圆管和压电球壳自身具有相当的耐压性能,可以用于制作耐压3 km以上的大深度水听器。随后制作了1个直径φ30 mm、厚3 mm的压电球壳水听器,并通过了30 MPa耐压测试。最后采用有限元仿真法研究了高静水压对压电圆管和压电球壳换能器灵敏度的影响。仿真结果显示,高静水压会导致压电圆管和压电球壳换能器灵敏度损失,且静水压越高,灵敏度损失越快。

压电圆管换能器振动特性的薄壳理论分析

本文运用弹性力学中的薄壳理论,分析了径向极化压电陶瓷圆管换能器的振动特性,并在此基础上推导出换能器等效电路的特性阻抗,为换能器的设计提供了依据。分析及计算结果表明,本文的理论与以往常用的薄膜理论相比,不仅在物理模型的描述上更为完整准确,在计算精度上也更接近实际。

基于压电圆管的二维全向风能采集器研究

环境风能具有多向性及不稳定性,为了实现平面各方向风能的收集,设计了基于压电圆管和圆柱梁的二维全向风能采集器。不同于传统的薄片梁结构,圆柱梁的对称特性使系统获得了多风向响应能力。基于系统结构和工作原理,进行了理论分析;建立了风能采集器的有限元模型,并进行了仿真分析。在1~8 m/s的风速激励下,对采集器的输出性能进行了风洞实验。结果表明,采集器的最佳匹配负载为2.2 MΩ;其启动风速约为2 m/s;在2~8 m/s的风速下,采集器的输出功率随着风速的增加而增加;在8 m/s的风速下,可有效采集二维平面360°范围的来流。文中所提出的多向风能采集器可以对二维平面内各方向的风能进行有效采集,提升了采集器的性能,具有很强的环境适应性,为多向风能的收集利用提供了新的设计思路,有利于促进风能采集器在自供电在线检测领域的实际应用。

基于有限元手段的压电圆管换能器设计

作为一种大功率、低频水声换能器,压电圆管换能器具备声源级高和结构紧凑的优势,现已成为潜艇水声对抗中发挥重要作用的设备。在计算机技术不断发展的背景下,引入有限元手段,将提升设计质量,更为契合声呐浮标和吊放声呐作业需求。基于此,阐述有限元分析方法和应用软件,并基于有限元手段设计压电圆管换能器,在深入剖析基本理论的前提下,说明模型构建和振幅分析过程,以期为我国航海事业发展奠定坚实基础。

压电圆管换能器静态电容与测量温度相关性分析

采用数理统计原理,通过对压电圆管换能器静态电容与测量温度的相关性的分析,导出两者间存在显著的正线性相关关系。并用解回归方程的方法精确地计算出不同测量温度时压电圆管换能器静态电容值的测量误差,为压电陶瓷元件的挑选和换能器的设计提供参考。

开缝式圆管压电超声换能器研究

为提高圆管超声换能器的声辐射效率,提出一种新型开缝式圆管型复合压电超声换能器并对其振动特性进行了研究.该换能器由全波长夹心式压电超声换能器与开有狭缝的金属圆管纵向复合而成.基于弯曲振动理论,推导了开缝圆管辐射器与圆形端盖的弯曲振动频率方程,并对开缝式圆管复合压电超声换能器的振幅特性进行了数值仿真分析.研究结果表明:开缝式圆管的弯曲共振频率随其半径和长度的增大而降低,随其管壁及端盖厚度的增大而升高;此外,通过开狭缝的方式可使圆管辐射器获得较高的弯曲位移振幅和较大的体积形变量,使其在超声波液体处理技术领域更具应用前景.

高频宽带圆管换能器研究

压电圆管换能器是水声领域中广泛应用的换能器之一,它一般采用压电圆管的径向振动模态。利用压电圆管的径向振动模态和高阶振动模态来实现圆管的宽带发射性能。采用有限元方法对圆管换能器进行了分析,利用ANSYS软件建立圆管换能器的有限元模型,并对其进行结构优化。最终所制作换能器的径向谐振频率为47.5kHz,其工作带宽为40~80kHz,发送电压响应起伏不超过±4dB,最大发送电压响应为150dB。研究结果表明：所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,换能器实现了高频、宽带、水平无指向性的发射性能。

圆柱形深水压电检波器的设计与实现

该文设计研制了一种能耐20 MPa静水压的压电陶瓷圆管检波器。首先利用理论分析与有限元仿真相结合的方法,对压电检波器的谐振频率、接收灵敏度及耐压性能进行了分析计算与对比验证,进而研制样机,并采用密闭腔比较法和耦合腔互易法测试了样机在常压和20 MPa静水压下的接收灵敏度。结果表明,该压电陶瓷圆管检波器在常压条件下的低频接收灵敏度为(-201.9±0.5)dB,测试频段为1 Hz~2 kHz;在20 MPa加压条件下的低频接收灵敏度为(-197.7±0.4)dB,测试频段为20 Hz~1 kHz。该文研制的压电检波器满足目前海洋深部地震勘探的接收灵敏度及工作频段要求,对深水地震勘探仪器的研制具有重要意义。

新型管状换能器研究

依据薄膜理论,分析了一种具体形状、径向极化压电圆管换能器的振动特性,在此基础上推导出不同振态下的径长位移特性以及集中参数等效电路,用有限元法分析了径长振动模态,得出谐振和反谐振频率.通过有限元模态分析表明,理论值与模拟值符合的很好,这对管状换能器的工程设计具有参考价值.

基于圆柱梁的多向驰振风能采集器仿真分析

为了实现多向风能的采集,提出一种基于压电圆管和末端钝体的驰振风能采集器。通过多物理场耦合仿真分析了采集器模态以及压电圆管输出性能与振动频率、电阻及激振力的关系;模态及输出特性仿真结果显示,方柱钝体采集器的一阶和二阶固有频率均为14.26 Hz,工作在固有频率附近时可获得较高输出;存在最优负载电阻,为3.16 MΩ;压电圆管输出电压随激振力的增加而增加。方柱钝体的二维流场仿真结果显示,在各角度下,方柱结构均能受到相应横向气动力作用,实现多向风能的转换。三维流固耦合仿真分析结果显示,由于圆柱梁的对称特性,采集器受到二维平面不同方向风作用时均能产生振荡,验证了采集器的多向性能。

A Spectral Method for the Electrohydrodynamic Flow in a Circular Cylindrical Conduit

This paper presents a combination of the hybrid spectral collocation technique and the spectral homotopy analysis method(SHAM for short) for solving the nonlinear boundary value problem(BVP for short) for the electrohydrodynamic flow of a fluid in an ion drag configuration in a circular cylindrical conduit. The accuracy of the present solution is found to be in excellent agreement with the previously published solution. The authors use an averaged residual error to find the optimal convergence-control parameters. Comparisons are made between SHAM generated results, results from literature and Matlab ode45 generated results, and good agreement is observed.