双壳体弯张换能器研究

论文摘要

随着潜艇安静技术的不断进步,单纯依靠被动声纳探测潜艇越来越困难,因此远程探测潜艇需要用主动声纳作为辅助手段。低频大功率发射换能器的研究是远程主动声纳最重要的关键技术之一。弯张换能器是典型的低频大功率发射器,由于具有振幅放大效应,使其在同等频率下,具有体积小,重量轻的特点。此外,由于宽带换能器在信号传输方面具有很大优势,因此,利用弯张换能器实现低频宽带发射已经成为国内外研究的热点。其中最适合弯张换能器拓宽频带的方法是多模态振动耦合。本文的主要内容就是利用多模态振动耦合的方法进行低频宽带弯张换能器的研究。本文在传统Ⅳ型弯张换能器的基础上,在主壳体的两侧增加了新的壳体结构,以期通过两组壳体不同频率的振动耦合,达到拓展带宽的目的。本文首先研究了理想模型两个壳体的结构尺寸对壳体弯曲振动谐振频率和电导值的影响,总结了其中的规律。并分析了水中的阻抗特性与电声性能。然后以理想模型为基础将换能器设计成溢流式。并针对出现的绕流问题提出了两种解决方案。然后选择较好的方案进行结构尺寸优化,设计出性能相对理想的宽带弯张换能器。其工作带宽为3kHz-6kHz,响应起伏为7dB,发射电压响应为137dB。最后按照优化后的结构尺寸进行加工制作,并对换能器的阻抗特性和发射电压响应进行了测量。结果表明,利用在Ⅳ型弯张换能器的壳体侧面增加新壳体的办法可以实现宽带工作,响应起伏趋势与ANSYS软件的计算结果基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水声换能器的发展方向
• 1.3 弯张换能器
• 1.3.1 弯张换能器的分类
• 1.4.2 弯张换能器的新进展
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 换能器的理论分析方法
• 2.1 可用于分析弯张换能器的理论方法
• 2.1.1 等效电路法
• 2.1.2 瑞利法
• 2.1.3 有限差分法
• 2.1.4 边界元法
• 2.1.5 有限元法
• 2.2 多模耦合实现宽带的理论分析及应用
• 2.3 本章小结
• 第3章 双壳体弯张换能器理想模型研究
• 3.1 分析的思路及简化原则
• 3.2 空气中性能分析
• 3.2.1 建立空气中的理想模型
• 3.2.2 空气中的模态分析
• 3.2.3 空气中的谐响应分析
• 3.2.4 换能器结构尺寸对换能器频率特性和电导值的影响
• 3.3 水中的性能分析
• 3.3.1 建立水中的理想模型
• 3.3.3 水中的谐响应分析
• 3.3.4 辐射特性分析
• 3.4 新方法的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 溢流式双壳体弯张换能器的研究
• 4.1 绕流问题的出现
• 4.2 第一种改进方案
• 4.2.1 空气中的性能分析
• 4.2.2 水中的性能分析
• 4.2.3 方案一小结
• 4.3 第二种改进方案
• 4.3.1 空气中的性能分析
• 4.3.2 水中的性能分析
• 4.3.3 方案二小结
• 4.4 壳体的静力分析
• 4.4.1 施加预应力的工艺
• 4.4.2 副壳的静力分析
• 4.4.3 主壳体的静力分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 换能器的制作与测量
• 5.1 双壳体弯张换能器的制作
• 5.1.1 换能器的主要零部件
• 5.1.2 双壳体弯张换能器的装配
• 5.2 双壳体弯张换能器的测量
• 5.2.1 空气中性能测量
• 5.2.2 水中性能测量系统
• 5.2.3 水中的测量结果及分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的文章和取得的科研成果
• 致谢