Outer cavity Janus-Helmholtz underwater acoustic transducer

The outer cavity Janus-Helmholtz with sound insulation layer is presented for ob- taining the capacity of high-power non-directional transmitting. The radiation efficiency and directivity in the 0 degrees direction can be improved when the radiation mode is changed by laying sound insulation layer. The operating bandwidth can be expanded effectively by the dual mode coupling between the cavity vibration and longitudinal vibration of Janus transducer. A prototype is designed by finite element method. Test results show that the results are in good agreement with the design results. Compared with inner cavity Janus-Helmholtz transducer, acoustic radiation performance of outer cavity Janus-Helmholtz underwater acoustic transducer in the 0 degrees direction has been significantly improved.

An analytical method for the electro-acoustic performance of the underwater transducer

A finite elemcnt-Helmholtz integral hybrid method has been developed to calculate the electro-acoustic performance of a finite length cylindrical transducer immersed in water. The numerical study concerned with electrical impedances and beam patterns of the transducer is presented. Experimental data are shown to support the numerical study.

An Acoustic Modem Featuring a Multi-Receiver and Ultra-Low Power

Wireless technology for underwater communication possesses a wide range of potential application, but it is still a relatively unexplored area in many aspects concerning modems physical design. A step towards future deployment of underwater networks is the reduction of power consumption. Therefore, asynchronous wakeup systems need to be integrated within the physical layer design while avoiding the use of additional transducers. This paper offers a practical and generic solution to adapt data reception and transmission together with asynchronous wakeup sub-systems in acoustic underwater modem architectures using a low power and low cost solution. The proposal has been implemented in a real prototype with success.

NiMnGa磁控形状记忆合金纵振式换能器

为实现低频、小尺寸水下声源,利用具有大应变、快速响应和高能量密度等优势的NiMnGa合金为驱动元件设计了水声换能器。基于NiMnGa合金变形原理,建立了NiMnGa纵振式换能器物理模型,推导了等效电路。通过有限元法,实现了NiMnGa纵振式换能器电磁-机械-声的多物理场耦合仿真,用于预测换能器的水下声学性能。制作了小型NiMnGa纵振式换能器样机,并在水中测试了500~800 Hz频带内的声源级。实验结果表明,换能器样机辐射面直径为8 mm,水中谐振频率为700 Hz,最大声源级为115.5 dB。

基于FPGA的水下超声波测距系统设计

针对水下机器人在污浊水域自动避障困难的问题,设计了一款基于FPGA的水下超声波测距系统,用于水下机器人的避障和水下目标的定距检测。采用渡越时间的测距方法,通过超声波到障碍物的时间计算距离;使用Intel公司的CycloneIV E系列FPGA作为控制和数据处理中心,完成声波发射、声波采集、数据处理和结果显示等任务。实验结果表明,测距结果的相对误差小于4%。对误差产生的原因进行了分析,验证了系统的可行性。

堤坝管涌水下测距定位系统

当前堤坝管涌定位系统在堤坝渗漏检测方面表现优异,但无法测量水位深度。在原有堤坝管涌设备的基础上,采用STM32F4为控制核心的水声换能器作为接收端,设计了一个堤坝管涌水下定向测距定位系统。以设计中配置了STM32F4的TIM2发出的方波作为激励信号源,然后经过调理电路进行电压放大和功率放大,驱动发射端水声换能器向水中发射信号。发射信号经过一定距离的传播后,接收端换能器接收信号并进行幅值比较,确定峰值时刻的采样地址,最后根据采样点个数与点数之间的间隔实现对堤坝管涌仪的水下定向测距定位。在测量不同距离方面,提出了一种自适应脉冲算法,解决了单个脉冲测量不同距离误差较大的问题。现场测试结果表明,本系统在水下的定位误差范围在4%以内,可用于小型水库大坝管涌定位探测,为大坝管涌定位提供了一种新方法。

水声换能器制造数据关联分析方法研究

针对纵振型压电水声换能器制造过程中的特征数据,建立多元回归模型进行拟合,并对结果进行评估。结果表明,水声换能器制造过程中的预应力、同轴度均与谐振频率、频差相关性较大,将直接影响产品的最终性能,需要通过严控预应力和同轴精度提高水声换能器的产品性能。

新型水声换能器在水下通信系统中的性能评估与应用研究

本文针对新型水声换能器在水下通信系统中的性能评估与应用进行了研究。首先介绍了水声换能器的基本原理和分类,然后详细讨论了新型水声换能器的设计和制造过程。接着,通过实验室测试和场地实验,对新型水声换能器的性能进行了评估。最后,探讨了新型水声换能器在水下通信系统中的应用前景。研究结果表明,新型水声换能器具有较高的灵敏度和较低的噪声水平,可以有效地提高水下通信系统的性能和可靠性。

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。

充水阻抗管中测量材料声学性能的校准方法研究

提出了一种在充水阻抗管中,应用传递函数测量材料声学性能的三参数校准方法。在双传感器传递函数法的基础上,考虑充水阻抗管中水听器间不一致性和管内结构对声场局部扰动等因素的校准,导出了三个综合的无量纲校准参数。通过改变充水阻抗管中测量面的三个已知反射系数,测量出对应的三个传递函数,可以求出这三个校准参数。在充水阻抗管中分别对水/空气界面和一种水声材料进行了测量试验,应用该方法对测量结果的进行了校准,并对校准前后的结果进行了分析比较。

宽带水声发射系统换能器分段匹配方法研究

换能器与功率放大器之间的匹配网络设计是宽带大功率水声发射系统的关键技术之一。把水声换能器、功率放大器及其联系两者的匹配网络视为一整体，从系统的观点出发，提出了一种分频段匹配宽带水声换能器的处理方法。通过对水声换能器的导纳特性和发射电压响应的分析，合理地选择匹配网络参数。该方法能充分发挥换能器在不同频段中的特性，实现水声发射系统的宽频带工作。水池实验验证了该方案的有效性：在2～16kHz带宽范围内，发射电压响应级起伏△TVR和发射声源级起伏△SL均得到改善，尤其在感兴趣的4～15kHz的宽带范围内，功率因数得到显著改善，功放管耗明显降低，发射电压响应级起伏ATVR从21dB降到14dB，发射电压声源级起伏△SL从24dB降到7dB，但对功放的安全保护电路提出了更高的要求。

音响驯化对鱼类有效作用范围的研究

音响驯化作为一种重要的鱼类行为控制技术在海洋声牧场中的地位越来越重要。本文研究其有效作用范围的主要影响因素:海洋环境噪声级、水声传播损失、鱼类的听觉特性、水下换能器的声源级。通过建立水声信号系统,由水听器、声级计、信号记录仪、信号处理软件组成,着重对海洋环境噪声进行了测量。结果表明,大连黑石礁湾海洋环境噪声级为93～118 dB,水下传播损失为30 lg r,以许氏平鲉(Sebastes schlegeli)、黄盖鲽(Limanda aspera)为驯化鱼种,单个驯化点的有效作用范围分别约为52.2 m、44.5 m。

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.

有限元法分析1-3型压电复合材料换能器

1-3型压电复合材料圆柱型换能器由薄片状1-3型压电复合材料沿金属薄壁圆管周期排列粘贴而成。根据换能器实际结构和1-3型压电复合材料等效参数模型,利用有限元法在ANSYS中分别建立了两种仿真模型。为验证等效参数模型的可靠性,实验通过改变模型结构尺寸,使换能器内半径从20mm变化到50mm,每5mm作为一个数据点进行建模。仿真计算相同结构尺寸下两种模型的径向振动频率,比较显示两种模型仿真结果接近,平均相对误差仅2.3%。因此,可利用模型II代替模型I对1-3型压电复合材料圆柱型换能器进行仿真分析,从而简化建模和计算。在此基础上,利用模型II分别模拟了该种换能器在空气和水中径向振动频率附近的导纳、发射电压响应和接收电压灵敏度等性能。

水声信道高速率数据传输中换能器频谱特性的均衡

海洋水声信道严重的多途特性造成的码间干扰是水声信道高速率数据传输技术所需克服的最大困难，而接收和发射换能器在所用频带的不平坦又加剧了多途的影响．

基于水下超声成像分时复用数据采集系统的设计

利用压阻式水声传感器采集超声回波信号,通过行共用电源线,列共用信号线的方式将水声传感器组成成像阵列。使用MAX4617八选一高速模拟开关控制每个传感器与采集电路的通断,从而实现采集电路的分时复用功能。利用AD6655采集数据,FPGA作为模拟开关和采集电路的时序控制器,异步FIFO作为采集数据传送给EZ-USB的缓冲器,EZ-USB单片机负责任务的协调,并把数据打包上传给计算机。初步测试了传感器与采集通道的开关时延特性,以及分时采集样本与原始声信号吻合程度,实验结果证明系统能够完成水声传感阵列的实时数据采集任务。

一种新型Cymbal换能器的研究

提出并研究了一种新型的Cymbal换能器。与传统的Cymbal换能器相比,该换能器中的压电陶瓷圆盘由一个金属圆环和压电陶瓷圆盘的径向组合体所代替。论文首先探讨了压电陶瓷圆盘和金属圆环组合体的径向振动,用解析方法得出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,得出了新型Cymbal换能器的机电等效电路,并得出了其共振及反共振频率方程。其次,利用数值计算方法,对这种新型的Cymbal换能器的共振频率和振动性能进行了研究。分析了Cymbal换能器的几何尺寸对其共振频率及有效机电耦合系数等参数的影响,探讨了其输入导纳的频率特性。所得结论为此类Cymbal换能器的优化设计及工程应用奠定一定的理论基础。本文提出的新型Cymbal换能器具有较大的几何尺寸、较高的机械强度以及功率容量等优点,可望在较大功率的水声及超声辐射器中获得较为广泛的应用。

利用水声通信原理解决随钻数据传输问题

在现有随钻数据传输技术的基础上,首次提出利用水声通信原理解决随钻数据传输难题的设想。首先选择钻杆内的钻井液作为水声通讯信道,并将其简化为一维、有限长、均匀、等截面波导。根据理想流体的小振幅波方程,讨论随钻水声信道的截止频率与黏滞力、非线性特性等因素的影响,确定通讯系统的频率、功率与传输距离等基本参数。然后提出建立随钻信道的分段、时变、分布式模型思路,适应信道结构分段变化、钻井深度随时间增加、信道参数时变分布等特点,仿真分析随钻水声信道的传输特性。最后通过定量计算水基钻井液、油基钻井液对水声信号的衰减,提出通过相控阵技术增强信源功率,提高信源质量与信宿检测能力。结果表明:利用水声通信原理解决随钻数据的高速传输问题是可行的,有望使随钻数据传输技术取得突破性进展,彻底解决随钻数据传输问题;结合钻井工程参数,可以选用的水声信号频率大于2 kHz,有效地避开了钻井过程噪声,有利于随钻信号提取;现有水声换能器、传感器可以满足3 000 m以内的随钻通信需求。

宽带组合式水声换能器设计研制及应用

通用宽带换能器(含低频到高频)一般是将不同类型的换能器进行组合使用,单个换能器独立设计再组合成阵,其综合体积及质量均大,且安装后其性能指标受影响(如换能器开角变小等)。该文在分析当前国内外宽带换能器研究现状基础上,结合小型遥控无人潜水器(ROV)搭载探测需求,提出具体设计指标要求。将复合棒换能器与数个压电陶瓷圆环进行开放式一体化组合设计,在满足小型ROV安装要求的基础上,实现了发射3~100 kHz、接收1~100 kHz的超宽频带覆盖范围,且开角不小于70°。水池及湖上实航实验结果表明,研制的换能器与仿真设计相符,实航测量结果与国内外相关结论一致性较好,具有广泛的工程实用价值。

压电水声换能器宽带匹配特性研究

采用等效电路变换和多物理场有限元仿真计算进行压电水声换能器宽带匹配特性研究,得出不同匹配电路下的换能器电声性能的变化规律,合理选择电感电容值和串并联方式进行调谐匹配实现双峰谐振,一方面提高换能器的工作带宽,另一方面提高工作频率范围内的发送电压响应值并减小工作频带内响应值的起伏,依照仿真数据设计制作了一款球形换能器,采用串联电感进行调谐匹配,并测试调谐匹配前后的水中电声性能,对比匹配前后换能器性能的差异。结果表明,测试结果和仿真计算吻合,运用多物理场仿真计算手段对于预测分析水声换能器电声性能具有较好的指导意义。