双椭圆壳串联宽带弯张换能器

提出一种利用多模态耦合的低频、宽带、大功率的新型弯张换能器,其结构上将两椭圆的Ⅳ型弯张壳体沿长轴方向串联为一体,两组长压电陶瓷堆贯穿其中驱动。利用有限元软件设计并制作一款此新型换能器的样机,其工作频带通过耦合壳体前三阶弯曲模态及压电陶瓷堆纵振模态与壳体膜模态的复合模态展宽。经测试在1.4~6.0 kHz范围内,样机的发射电压响应大于128.5dB,声源级大于190dB。结果表明,此弯张换能器与只利用一阶弯曲模态的Ⅳ型弯张换能器相比不仅有更宽的工作带宽,还满足低频和大功率的声辐射要求。      

双激励纵弯耦合宽带复合棒水声换能器

为研究进一步拓宽双激励复合棒水声换能器的工作带宽方法。利用等效电路法和有限元方法研究了双激励换能器的振动模态,分析了中间质量块的材料、长度对换能器发射电压响应的影响,提出结合较低工作频段的纵向振动和较高工作频段的纵向振动与径向振动耦合引起的弯曲振动进一步展宽带工作频带的方法。根据优化参数后的仿真模型制作的样品工作频带为14 kHz～47 kHz。采用这种纵弯振动模态耦合的方法可以有效拓宽双激励宽复合棒换能器的工作带宽。     

多谐振宽带Janus-Ring换能器

提出了一种多谐振宽带Janus-Ring换能器,两个一定距离的压电圆环换能器(Ring换能器)嵌套在双面纵振Janus换能器的两端,Ring换能器的径向振动、Janus换能器的纵振动与它们中间形成的Helmholtz液腔振动相耦合,可大大拓展换能器的工作带宽。使用有限元方法设计并研制了Janus-Ring换能器样机,经测试在1.8~8.0 kHz范围内,样机最大发射电压响应144 dB,起伏小于6 dB。相比传统的Janus-Helmholtz换能器,Janus-Ring换能器有效拓展了工作频带,增大了发射电压响应,减小了频带内的发射电压响应起伏。      

具有连续纵向激励模态宽带水声换能器研究

摘要分析了连续纵向激励模态拓宽频带的机理。采用单侧激励，可同时激励奇次模态和偶次模态，利用有限元方法研究了这些模态在水中随几何尺寸变化的规律，通过优化设计制作了接近两个倍频程的宽带换能器样品，其工作带宽为12kHz-44kHz，频带内的起伏为±4．3dB。为进一步减少带宽内响应起伏的大小，通过对模态节点间增加质量钢块以及对后盖板采用机械阻抗匹配腔的方式，制作了工作带宽为12kHz-34kHz，频带内的起伏为±3．7dB的宽带换能器样品。     

低频宽带大功率“星型”柱面发射换能器

提出一种具有水平无指向性、低频、宽带、大功率特点的新结构换能器——“星型”柱面发射换能器,换能器由共享后质量块的6个复合棒换能器按“星型”方式组成柱面结构。采用有限元方法对换能器进行了分析设计并制作了换能器样机。在1—10 kHz内,换能器有3个主要工作模态,前两阶工作模态对换能器工作带宽的展宽有贡献,第三阶模态显示出较强的指向性,水池测试换能器具有1倍频程的工作带宽,最大声源级为199.1 dB。有限元模拟结果和实验结果符合较好。研究结果表明,新结构换能器在满足水平无指向性的前提下,利用复合棒的纵振及辐射面的弯曲振动实现了低频、宽带、大功率的要求,提供了一种设计该特性换能器的新思路。      

混合激励纵振换能器的研究

纵振式换能器是水声领域中不可或缺的一类中频段换能器,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷材料PZT作为驱动元件设计混合激励纵振式换能器。利用ANSYS有限元软件建立了有限元模型,对换能器的电声参数进行了优化,并制作一宽带混合激励纵振式换能器,实验测得的换能器与仿真的结果较为吻合,实测换能器的最大发送电压响应为145dB,其工作频带为4kHz-16kHz,频带内发送电压响应起伏为±4.5dB。     

圆环状复合材料高频宽带水声换能器

研制了一种圆环状高频宽带水声换能器。利用压电复合材料Q值低从而频带宽的特点,采用双环轴向堆叠产生双模态耦合的结构方式拓宽换能器的带宽。通过理论分析与仿真计算,确定敏感元件几何尺寸。用切割-浇注-被覆电极等工艺制备出压电复合材料圆环;再将制备出的外径相同,壁厚不等的压电复合材料圆环轴向叠堆制成叠堆敏感元件,最后灌注防水透声层制成换能器。对制得的换能器进行水下性能测试,测得该换能器谐振频率为410 kHz,最大发射电压响应为150 dB,-3 dB带宽达60 kHz,水平指向性开角(-5 dB)为360°,-3 dB垂直指向性开角约20°。结果表明将复合材料圆环轴向堆叠可显著拓展换能器的带宽,且实现声波的水平全向发射。      

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。     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器EI北大核心CSCD

为了降低纵向换能器尺寸并提高发射带宽和发送电压响应,研究了一种弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器,换能器由[011]方向极化PIN-PMN-PT单晶和PZT-4压电陶瓷混合激励,利用多模态振动耦合的原理,通过单晶的32模式振动,可以灵活调整两种振子之间的驱动能力和刚度分配。首先通过四端网络法得到了换能器等效电路并计算了其谐振频率,然后利用有限元方法对换能器进行了仿真优化,最后制作了试验样机并进行了测试分析。换能器样机外径86 mm、长度80 mm,工作频带13~38 kHz,最大发送电压响应为144.9 dB,带内发送电压响应起伏小于6 dB,具有良好的宽带、小尺寸工作性能。     

宽带宽波束纵向水声换能器研究

本文通过设计纵向水声换能器辐射头的形状及利用其弯曲振动模,实现宽带宽波束辐射特性,采用后质量块的嵌套结构有效缩小了换能器的长度。利用ANSYS有限元软件模拟了小型宽带宽波束纵向水声换能器的电声特性。研制了换能器样品,实现了与有限元模拟计算结果相一致的电声参数:谐振频率14kHz,最大发射电压响应141．9dB,-3dB带宽为11．3～18．7kHz,-3dB带通Q值为1．9,在14kHz频率下波束宽度为132°,比通常纵向换能器波束宽度宽23％。     

四边型弯张换能器特性研究及宽带设计

四边型弯张换能器通常工作带宽较窄,为了提高带宽性能,对四边型弯张换能器振动及辐射特性进行了研究,重点分析壳体结构参数对换能器发送电压响应的影响。根据分析结果提出了拓宽换能器工作带宽的方法,利用有限元软件进行了仿真计算并制作了四边型弯张换能器样机。测量得到在2.4~5 kHz的频率范围内,换能器的最大发送电压响应值达到140 dB,带内起伏4 dB,有限元仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果表明设计的四边型弯张换能器不仅能够低频工作,并且可以在小尺寸下实现大功率发射,同时还具备宽带发射特性。      

一种宽带大功率镶拼圆环换能器的设计

介绍了一种大功率宽带换能器的设计方法,换能器由三个镶拼圆环组成,圆环之间用去耦材料隔振。采用有限元方法仿真圆环振子的电声性能,根据仿真结果优化结构尺寸。运用互辐射理论探讨了整体换能器的性能,研制了样机并进行测试。测试结果表明,换能器在2.8 k Hz～8.0 k Hz工作频带内最大发射响应为148 d B,起伏在±2.5 d B之内,具有较大的发射电压响应和较宽的工作频带。     

自由端盖Ⅲ型宽带弯张换能器的设计

提出了一种利用多模耦合实现低频、宽带、大功率特性的新结构Ⅲ型弯张换能器。通过在压电陶瓷堆内部嵌入与凹型弯张壳体相连的弹性辅助弯曲梁结构,并用弯曲圆盘作为顶部自由端盖,增加有效工作模态。利用有限元方法对换能器进行了设计优化,分析结果显示换能器在低频段存在4个主要工作模态。根据优化结果,加工制作了换能器样机,水池实验的测试结果表明:在1.5～5.5 kHz范围内,换能器样机的发送电压响应均大于135 dB;1.5～4 kHz内的最大发送电压响应大于142 dB,响应起伏小于6 dB。研究结果表明自由端盖Ⅲ型弯张换能器不仅能够在小尺寸设计下实现大功率工作,还能获得低频宽带发射性能。      

Multi-resonant broadband Janus-Ring transducer

A Janus-Ring(JR) transducer with two piezoelectric rings placed around a Janus driver is presented.The rings have radial vibration,whereas the Janus has longitudinal vibration,and a resonance of Helmholtz cavity is observed between them.By joining the three resonances,the working frequency bandwidth of the transducer is prominently widened.After simulation using finite element method,a prototype is finally fabricated and tested.Results show that in the working frequency of 1.8 to 8.0 kHz,the maximum transmitting voltage response(TVR) is 144 dB,and the fluctuations are less than 6 dB.Compared with traditional Janus-Helmholtz transducers,the JR transducer has the characteristics of wider bandwidth,greater TVR,and less fluctuations of TVR in working frequency band.     

聚苯硫醚材料复合棒型换能器

本文选择了高聚物中杨氏模量较大、损耗较小的聚苯硫醚作为复合棒型换能器的前盖板。计算了聚苯硫醚棒中的纵波传播速度,研究了基于聚苯硫醚材料的复合棒型换能器的等效电路设计方法。利用有限元方法计算了换能器谐振频率、轴向应变分布、平均耗散功率等性能参数。对本文研制的前盖板为聚苯硫醚、后盖板为钢(1#)和前后盖板均为聚苯硫醚(2#)的两个换能器进行了测试。结果表明,理论计算的谐振频率与实验测试相吻合;两个换能器的振幅均与所施加的电压成正比,且1#换能器的振幅电压比更大;两个换能器的耗散功率与外加电压平方成正比,在应变较大处耗散功率较高,导致局部升温明显,测得两个换能器温度最高处均位于应变最大位置处。1#换能器的前后振幅比为26,与同频率的金属组件换能器相比,若后盖板为尺寸相同的钢材,前盖板采用聚苯硫醚材料能够显著提高换能器的前后振幅比,且带宽也较大。      

Broadband flextensional transducer with major axis lengthened

The bandwidth of the Class IV flextensional transducer is narrow for its high mechanical quality factor.For improving its bandwidth performance,a flextensional transducer with major axis lengthened was proposed by the theory of multiple-mode-coupling based on the oval shell.The transducer driven by novel relaxor ferroelectric single crystal lead magnesium niobate-lead titanate(PMNT)was designed and analysed using finite element software ANSYS and a prototype of the transducer was developed.The transmitting voltage response of the transducer reaches to 136 dB with fluctuation 7.8 dB from 1.6 kHz to 16 kHz.Based on the theoretical analysis and experimental results,it proves that the flextensional transducer with major axis lengthened has a much broader bandwidth than the ClassⅣflextensional transducer combing with the advantages of low frequency and high response.