一种带障板宽波束宽带纵振动换能器

介绍了一种带障板宽波束宽带纵振动换能器。通过将纵振动换能器的纵振动模态和前盖板弯曲振动模态有效耦合来达到拓宽换能器工作频带的目的;并提出利用反声障板边界结构大幅度增大发射波束宽度的方法。利用有限元软件分析了其在水中的特性。分析结果表明,通过纵弯模态耦合方式可有效拓宽换能器的频带宽度;通过障板在纵振动换能器中的应用可有效调节纵振动换能器的波束特性,从而实现宽波束的目的。实际制作该换能器并测试了其在不同情况下的性能,测试结果表明:有限元分析结果跟实验测量结果吻合。在9.5~18 kHz的频率范围内实现了发送电压响应起伏不超过3 dB的宽带工作;在11、12、13、14 kHz,实现了120°~160°的宽波束。     

面剪切振动模式弛豫铁电单晶换能器

[011]极化方向、zxt-45°切型的PIN-PMT-PT单晶因其高剪切压电应变常数、高机电耦合系数和高柔顺系数等特点,在水声换能器中存在广阔的应用前景。通过设计中间质量块的方法,将单晶产生的剪切振动转换为换能器的纵向振动,并利用辐射头的弯曲振动和圆环尾质量块振动的耦合拓宽工作频带。通过有限元仿真分析,研究了结构参数对各阶模态振型和谐振频率的影响。最终仿真得到的换能器工作频带6～18 kHz,最大发送电压响应为138 dB,带内起伏小于4 dB。研究结果表明：采用面剪切工作模式有利于实现换能器低频、小尺寸、宽带发射。     

双激励加匹配层宽带水声换能器研究

采用双激励加匹配层来拓宽换能器的工作频带。利用有限元方法分析了双激励加匹配层换能器在空气中的振动模态,研究了这些模态在水中随几何尺寸以及匹配层材料参数变化的规律。并设计和制作了一种新型三谐振宽带换能器。与双激励或单匹配层换能器相比,增加了近一个倍频程的有效工作带宽,且频带内的响应起伏较平坦。其工作带宽为15kHz～42．5kHz．频带内发送电压响应的起伏为±3dB。     

自由端盖四梁凹形宽带弯张换能器设计

针对凹形弯张换能器改善低频宽带工作特性的技术需求,提出了一种自由端盖四梁凹形弯张换能器新结构。结构中将纵向振子的端部设计成弹性辅助梁,与主弯曲梁连接构成复合弯曲梁。同时为了克服弹性辅助梁对振动辐射带来的不利影响,引入了由纵向振子驱动的方形自由端盖并以此构成新的辐射端面。利用有限元软件分析了这种新结构弯张换能器的多模振动特性,模态分析表明换能器的前五阶模态是可利用的主要工作模态,频率间隔可以通过敏感结构参数进行调控。通过优化给出了一种设计方案,换能器整体几何尺寸为 140 mm×140 mm×396 mm,仿真分析了换能器在水中的导纳特性和发射电压响应曲线,结果表明：换能器最大发射电压响应大于 145 dB,发射电压响应起伏小于 6 dB的工作频带为 1.5~4.3 kHz,发射电压响应起伏小于 10 dB的工作频带为 1.5~8 kHz,具有低频宽带大功率工作特性。     

高频宽带换能器研究

主要研究高频换能器的匹配层技术,通过匹配层技术拓宽换能器的频带,首先利用等效电路法分析高频匹配层换能器,其次通过Matlab仿真分析匹配层材料的密度、声速、厚度变化对换能器电声参数性能的影响,进而对其电声性能进行优化设计,最终制作出一高频宽带换能器。通过实验测得结果与仿真结果基本一致,实验测得换能器的最大发送电压响应为178dB,工作频带为260～370kHz,带内发送电压响应起伏为-3dB,300kHz时换能器指向性-3dB开角为6．5°。     

基于零阶算法的矩形面宽带纵振换能器设计

传统换能器的优化一般采用试算修改的方式进行,这样的方式在待优化参数较多时不仅比较繁琐而且有可能会漏掉各参数组合下较好的设计点,对此提出了利用零阶算法进行换能器多参数联合优化设计的方法。建立了一种带宽评价函数,通过该评价函数和零阶算法尝试了对矩形面纵振换能器带宽的优化设计。经有限元仿真和样机测试表明,两款换能器的性能达到了预期指标要求,实现了宽带工作。得到的两款宽带换能器性能为:1#换能器工作频带为10~21.5 kHz,带内起伏约3 dB,发射电压响应大于134 dB;2#换能器工作频带为7.5~31.5 kHz,带内起伏约6 dB,发射电压响应大于131 dB。该方法可以作为换能器设计的一种新方式。     

一种宽带纵振换能器

介绍一种宽带纵振换能器,利用换能器的纵振模态和前盖板弯曲振动模态的耦合,使发射电压响应-3dB带宽达到了一个倍频程.     

一种3-3连结的PZT/硅橡胶复合型发射声源

本文介绍了一种3-3连结的PZT/硅橡胶复合型宽带、窄脉冲及大开角波束发射声源。该声源的中心频率为200～500kHz,Q值为2左右,发送电压响应为148.7dB。它适合作水下宽带标准声源及超声检测领域的压电换能器。     

高频宽带换能器多匹配层研究

在水声应用中,高频换能器往往需要较宽的工作带宽,以获得更多的目标信息。文章首先建立了等效电路模型,利用粒子群算法对匹配层材料和厚度进行初步选定,使得换能器具有最宽的工作频带;其次,通过有限元方法对匹配层换能器的导纳和发射电压响应进行分析计算;最后,在理论分析的基础上成功制得三匹配层高频宽带换能器,其工作频段约为150～430 kHz,相对带宽为93%,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明,三匹配层设计方案可以有效拓宽高频换能器的工作频段。     

堆叠压电复合材料圆环阵换能器有限元分析与测试

利用有限元软件仿真设计了轴向堆叠压电复合材料圆环阵换能器的敏感元件。该换能器具有高频、宽带、水平全向发射的特性。利用ANSYS有限元分析软件对换能器敏感元件进行了模态分析和谐响应分析,通过改变复合材料结构参数,分析得到了复合材料圆环径向厚度振动频率和带宽随其厚度、高度和平均半径的变化规律,并据此确定了制备复合材料所需的最佳尺寸参数,为复合材料制备提供了仿真依据。按由仿真得到的最优参数制作了双圆环叠堆复合材料换能器敏感元件。经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,其-3dBd工作带宽为90kHZ。测试结果和仿真结果吻合,实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标。     

一款宽带圆柱阵研究

圆柱阵换能器具有水平全向的优势,已广泛应用在水声探测领域。文章研究了一款宽带圆柱阵,利用匹配层技术拓宽圆柱阵阵元的带宽,通过有限元仿真优化单个换能器阵元带宽、发送电压响应和阻抗等参数。同时通过仿真以阵元错位密集方式形成圆柱阵,对阵元的个数及排列方式进行仿真优化,制作了一款宽带圆柱阵并进行了测量,圆柱阵直径为400 mm,高度为435 mm,圆柱阵的工作频段为20~30 kHz,频带内起伏3 dB,最大发送电压响应为160.5 dB,圆柱阵-3 dB水平波束宽度为360°。     

PIMNT单晶弯曲圆盘换能器设计

新型弛豫铁电单晶材料铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体(Pb(In_1/2Nb_1/2) O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3) O₃-PbTiO₃, PIMNT)的压电系数是陶瓷材料的 6 倍以上,应变量高出压电陶瓷 10 倍以上,具有较高的机电耦合系数,压电性能优于传统 PZT 材料。文章将单晶材料应用于带空气腔的弯曲圆盘换能器中,利用 ANSYS 仿真软件优化换能器结构,确定换能器尺寸,设计制作 PIMNT 压电单晶换能器和PZT4压电陶瓷换能器,并进行了水池实验。换能器实测结果与仿真结果保持一致,单晶换能器的谐振频率为 2.85 kHz,最大发送电压响应为 136.3 dB。结果表明,相比于同尺寸的陶瓷换能器,将 PIMNT 压电单晶应用于弯曲圆盘换能器可降低谐振频率,提高发送电压响应,提升换能器的工作性能,为进一步改善单晶换能器综合性能提供参考。     

Broadband tonpilz underwater acoustic transducers based onmultimode optimization

Head flapping has often been considered to be deleterious for obtaining a tonpilz transducer with broadband, high power performance. In the present work, broadband, high power tonpilz transducers have been designed using the finite element (FE) method. Optimized vibrational modes including the flapping mode of the head are effectively used to achieve the broadband performance. The behavior of the transducer in its longitudinal piston mode and in its flapping mode is analysed for in-air and in-water situations. For the 37.8% bandwidth of the center frequency from 28.5 to 41.8 kHz, the amplitude variation of the transmitting voltage response (TVR) does not exceed ±2 dB and a maximum TVR of 146.8 dB (ref. 1 μPa/volt at 1 meter) is obtained. Reasonable agreement between the experimental results and the numerical results is achieved. A maximum sound pressure level of 214.8 dB can be expected. Further numerical calculation indicates that there is potential for increasing the bandwidth by varying other parameters in the design     

In-air and underwater performance and finite element analysis of a flextensional device having electrostrictive poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) polymers as the active driving element

A flextensional transducer, in which the electrostrictive poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] copolymer was used as the active driving element, was fabricated and characterized. The results show that transducers of several millimeters thick can produce an axial displacement of more than 1 mm in air along the thickness direction, and a transmitting voltage response of 123 dB re 1 /spl mu/Pa/V at 1 m in water at frequencies of several kilohertz. A finite element code (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA) was used to model the in-air and underwater responses of the flextensional transducer over a broad frequency range. The calculated resonance frequencies and transmitting voltage response spectra show good agreement with the experimental data. In addition, the performance of both the in-air actuator and underwater transducer was analyzed for different design parameters of the flextensional structure. These results show that the performance of the flextensional transducer could be tailored readily by adjusting the parameters of the flextensional metal shell.     

一款水声通信换能器研究

随着声呐技术的迅速发展,水声通信在海洋科学研究及海洋开发中发挥着非常重要的作用,水声通信换能器是水声通信设备中负责电声转换的重要部件。研究了一款带底座的溢流圆管换能器,通过有限元仿真计算了换能器发送电压响应和方向性等参数,优化了换能器中的陶瓷元件和底座的结构尺寸,制作并测量得到一款半空间指向性的水声通信换能器,换能器的工作频段为11~23 k Hz,带内起伏为3 d B,最大发送电压响应为133 d B,-3 d B垂直开角大于180°。     

高频水声换能器匹配层技术研究

在复杂的海洋环境中,为提高对目标的探测效果以获得更多的信息,高频声呐常需要更宽的工作频带。首先,通过声透射原理对不同匹配层材料进行选取与设计;其次,通过有限元仿真对不同匹配层换能器的透射系数、电导谱和发送电压响应展开了分析计算;最后,在理论分析、解析计算和有限元仿真计算的基础上成功研制了单层、双层和三层匹配层高频宽带水声换能器,其工作频带分别为79～150 kHz, 74～163 kHz和66～176 kHz,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明：匹配层层数越多,换能器的带宽越宽,该工作为实现宽频带换能器在实际工作中的应用提供了方向。