新型四边形弯张换能器研究

论文摘要

随着近年来潜艇的减振降噪技术不断提升和进步,迫使声纳探测方式发生重大变革,低频主动声纳探测技术变得尤为重要,低频、大功率发射换能器发展迅猛。四边形弯张换能器是一种新型结构的弯张换能器,其辐射面积大、有源材料利用率高等特点使其适合作为低频、大功率的水下发射声源使用,而其包含多组振子、多组辐射面也使得这种换能器具有良好的延展性,有很大的发挥空间。本文的主要内容是设计一种工作频带低于500Hz的四边形弯张换能器,并对其低频、大功率、带宽等特性进行研究。首先,从四边形弯张换能器的基本结构出发,分别介绍了四边形弯张换能器的结构特点、振动模态以及工作原理,同时介绍了超磁致伸缩材料Terfenol-D的特性。其次将四边形弯张换能器与传统类型的弯张换能器进行对比,总结出其优劣势。对于弯张换能器来说,当工作频带低于500Hz时,其最大尺寸超过1m,在实际运用及工艺实现方面困难重重。本文提出一个在尽可能小尺寸情况下,实现低频工作的解决办法,利用四边形弯张换能器的延展性,分别在四组相同的弧形辐射面外附加相同的辐射质量块。通过附加辐射质量,增加了换能器的辐射抗,降低了换能器的谐振频率;辐射质量块与四边形弯张换能器壳体的弧形梁中心位移最大处相连接,可将位移传递到辐射质量块外表面各处,增大辐射面积,提高声学性能;与此同时选用低声速、低杨氏模量、高能量密度、大应变的稀土Terfenol-D材料作为驱动振子,可以进一步提升换能器在低频段内的声辐射性能。然后,利用ANSYS有限元软件对附带辐射质量块的新型四边形弯张换能器进行仿真计算,得到其在空气中的振动特性以及在水中的电声特性。对各结构参数优化设计,根据优化结果,制作了换能器样机,灌封后尺寸为Φ640mm×190mm,空气中重150kg,在消声水池中对其进行电声性能测试,得到换能器水中谐振频率为307Hz,最大发送电流响应为179.5dB,在250Hz370Hz工作频带内响应起伏3dB。最后,在新型四边形弯张换能器研制工作基础上,为了进一步提升其工作带宽,提出两种方案,一是通过改变辐射质量块的结构,从而创造出可与一阶弯曲振动模态相耦合的新模态,形成宽带工作。二是通过混合激励的方式,利用稀土材料和压电材料内在的电抗互补性,实现电储能元件与机械振动之间的能量转换与分配,从而有效拓展工作带宽。仿真分析结果表明两种方案都可以使四边形弯张换能器实现低频、大功率、带宽工作特性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 水声换能器发展趋势
•     1.2.1 低频大功率发射换能器
•     1.2.2 宽带发射换能器
•     1.2.3 新材料水声换能器
•   1.3 弯张换能器
•     1.3.1 传统弯张换能器
•     1.3.2 新型弯张换能器
•   1.4 四边形弯张换能器的研究现状
•   1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 稀土四边形弯张换能器设计原理与方法
•   2.1 四边形弯张换能器基本结构
•   2.2 四边形弯张换能器工作原理
•     2.2.1 壳体振动位移放大原理
•     2.2.2 工作方式
•   2.3 四边形弯张换能器分析方法
•   2.4 超磁致伸缩材料特性
•   2.5 稀土换能器有限元分析方法
•   2.6 四边形弯张换能器与传统弯张换能器的比较
•   2.7 本章小结
• 第3章 新型四边形弯张换能器的设计与测试分析
•   3.1 新型四边形弯张换能器结构设计
•   3.2 超磁致伸缩材料振子的设计
•   3.3 新型四边形弯张换能器有限元分析
•     3.3.1 振动模态及其特征
•     3.3.2 电声特性分析
•     3.3.3 预应力及静水压分析
•   3.4 新型四边形弯张换能器优化设计
•     3.4.1 换能器各结构参数尺寸优化
•     3.4.2 新型四边形弯张换能器样机仿真
•   3.5 新型四边形弯张换能器测试分析
•     3.5.1 换能器样机制作与装配
•     3.5.2 换能器样机测试
•     3.5.3 换能器测试结果分析
•   3.6 本章小结
• 第4章 新型四边形弯张换能器带宽设计与模拟分析
•   4.1 传统结构与新型结构四边形弯张换能器对比
•   4.2 带宽设计
•   4.3 改变辐射质量块结构拓展带宽
•   4.4 混合激励技术拓展带宽
•   4.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘柯寒

导师: 蓝宇

关键词: 四边形弯张换能器,超磁致伸缩,低频,混合激励

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: TB565.1

总页数: 65

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