基于PVDF球形换能器的载人潜水器浮力材料损伤侦听定位技术

针对载人潜水器作业过程中浮力材料受损位置难以实时监测、定位的问题,提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)球形换能器的载人潜水器浮力材料损伤定位的方法。为确定损伤部位中浮力材料损伤的精确位置,设计了基于最优四元阵列原理的PVDF球形换能器阵列。利用时延差值法进行声源定位模型的建立,获得浮力材料断裂部位的精确坐标。为提取有效的浮力材料断裂声信号,设计了基于改进DnCNN(denoising convolutional neural network)声信号去噪方法。根据定位原理设计了浮力材料损伤定位的软硬件系统,并搭建实验平台验证了方法的可行性。实验结果表明,基于改进DnCNN声信号去噪方法在实验室模拟噪声环境下,可以对浮力材料断裂目标信号进行有效提取;在声源位置距离球形换能器中远距离处取得了良好的定位效果,定位误差为±0.2 m,符合定位要求。

一种通孔球形换能器

球形压电陶瓷换能器作为全指向性换能器,在空间上具有均匀辐射声场,是水声领域应用较广的换能器类型之一。但是球面辐射的外形特点使其实际应用中难以在相关设备上安装和布放。文章介绍一种球形换能器,利用所设计的通孔结构使其能够做到简易安装,且对换能器的声学性能影响较小,在通孔之中穿插固定杆或线缆,节省空间,球壳换能器的通孔设计能充分发挥球形换能器全向发射的特点。文中的通孔球形换能器在14~35 kHz工作时,谐振频率为27 kHz,最大发射响应为150 dB,且保留有较好的全向性能。

一种确定球形换能器等效电路参数的新方法

通过建立球形换能器的新型等效电路，在得到等效电路各参数理论起始值的基础上，利用一种非线性最小二乘算法进行拟合，最终得到等效电路各参数的精确估值。

应用于海底沉积声学原位测量的球形换能器研制

该文对标ITC-1007与ITC-1032球形换能器,为海底沉积声学测量系统研制了两款中低频球形换能器(SP32K和SP12K)。通过理论及有限元方法对换能器进行仿真设计,制作换能器样机并对其进行了性能测试。低频球形换能器(SP12K)的谐振频率约为12 kHz,工作频带为2~20 kHz,最大发射电压响应为149 dB。中频球形换能器(SP32K)的谐振频率约为32 kHz,工作频带为15~50 kHz,最大发射电压响应为149 dB。实验结果表明,研制的中低频球形换能器与国外同类产品相比,性能基本一致,满足相关声学测量需求,这为研制中低频海底沉积声学原位测量系统等声学装备提供了有力支撑。

带障板的球形换能器指向性研究

针对有限空间内带障板的球形换能器指向性进行研究。以刚体散射为例,对球面波场中薄圆盘的散射进行了理论分析。当障板截面线度一定时,利用有限元模型,仿真分析球心到障板距离对球形换能器的方向性的影响。分别制作带反声障板和吸声障板的压电陶瓷球形换能器,并进行测试。结合理论、仿真和实测数据进行对比分析,带障板球形换能器的方向性曲线呈现周期性变化规律,周期与工作频率的半波长有关。吸声材料障板换能器相较于反声障板换能器,方向性的凹点减少,左右舷开角增大,适用于有限空间内增大辐射面的性能需求。

球形发射换能器多目标优化设计

为了解决球形发射换能器多约束条件下的离散/连续变量混合型非线性多目标优化问题,基于等效电路理论,建立了球形换能器的电学-力学-声学耦合模型,以辐射声源级、输入电功率和质量为优化目标函数,材料属性参数、结构尺寸参数、工作频率范围和输入电压为设计变量,压电陶瓷电退极化极限、结构强度极限、功率容量等物理特性以及设计变量取值等为约束条件,构建了球形换能器多目标优化数学模型;利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了球形换能器多目标优化设计,获得Pareto前沿解集;并通过实验验证了优化结果的有效性。结果表明,采用多目标优化方法设计和制作的球形发射换能器样机,在满足辐射声源级要求的前提下,工作频率范围内输入功率降低了32.8%,质量减轻了27.4%。研究结果可为严苛条件限制下的发射换能器优化设计提供参考。

一种小型球形宽带发射换能器

设计了一种小型球形宽带发射换能器,换能器由正六面体基座、六个压电晶堆和弧形辐射面组成,是一种球形空间对称结构。球形设计使得换能器内部结构紧凑,而且在体积一定的情况下具有最佳的辐射阻,是一种高效的小型大功率无指向性声源。采用有限元方法对换能器进行了优化设计并研制了换能器样品。水池测试结果表明,该换能器样品的工作带宽为2.6 k Hz～5.2 k Hz,最大声源级达到200 d B以上,电声效率50%左右,优质因子FOMm达到36 W/k Hz·kg。