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.     

铁镓驱动弯曲圆盘换能器设计及振动特性研究

为了研究新型磁致伸缩材料——铁镓合金(Galfenol)在换能器中应用,本文设计了一种低频弯曲圆盘换能器。借助有限元软件仿真分析换能器振动模态,对换能器结构参数进行优化设计,并研制了换能器样品。利用激光测振仪测量了换能器空气中模态及不同电流驱动下振动位移,测得振动模态与仿真结果吻合,换能器空气中共振频率为913 Hz,辐射头能够产生的最大振动位移达到93μm,磁致伸缩材料达到饱和应变。结果表明:铁镓材料能够驱动弯曲圆盘换能器大振幅振动;铁镓作为磁致伸缩换能器驱动材料具有较好的应用前景。     

弯曲圆盘换能器与镜像虚源的互辐射作用

建立了弯曲圆盘换能器镜像虚源等效模型,利用脉动球源互作用原理对弯曲圆盘与其镜像虚源的互辐射作用进行理论分析,给出了互辐射阻抗及系统谐振频率的数学表达。提出了虚源互作用的低频换能器设计思想,将刚性反射板引入弯曲圆盘换能器临近辐射面的声场中,通过理论分析、有限元模拟和样机实验研究了低频换能器谐振频率与主要结构参数之间的关系。结果表明,弯曲圆盘与镜像虚源间的互辐射作用可以有效降低换能器的谐振频率,当反射板直径与弯曲圆盘辐射面直径相当时,谐振频率可降低至其自身谐振频率的50%以下;当反射板直径为弯曲圆盘辐射面直径2倍时,谐振频率可降低至37%。     

厚圆盘弯曲振动研究

当厚跨比大于五分之一时,研究板弯曲振动中的剪切应力及由此引起的剪切、扭转变形等就不能忽略,经典的薄板理论将失效.从声学应用的角度,基于Mindlin板理论,本文推导了厚圆盘弯曲振动径向位移和横向位移的解析表达式,并得到了自由、简支、固定边界条件下的频率方程.解析方法计算得到的前几阶振型对应的频率与有限元方法计算的结果基本相符,与实验测试结果基本一致.本文的结果对厚圆盘弯曲振动辐射器的设计提供了理论参考. 关键词： 厚圆盘 弯曲振动 频率方程     

Helmholtz腔与弹性振子耦合结构带隙

为提高Helmholtz型声子晶体低频隔声性能,设计了一种Helmholtz腔与弹性振子的耦合结构,通过声压场及固体振型对其带隙产生机理进行了详细分析,建立了相应的弹簧-振子系统等效模型,并采用理论计算和有限元计算两种方法研究了各结构参数对其带隙的影响情况.研究表明,该结构可等效为双自由度系统振动,在低频范围内具有两个带隙;在6 cm的尺寸下,其第一带隙下限可低至24.5 Hz,而同尺寸无弹性振子结构只能达到42.1 Hz,带隙下限降低了40%,较传统Helmholtz结构具有更为优良的低频隔声特性.另外,在框体尺寸一定的情况下,降低结构间距、增大开口空气通道长度及振子质量、增大左侧腔体体积等方式,是增大带隙宽度、提高低频隔声效果的主要手段.     

外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器

为获得具有大功率无指向性发射特性的水声换能器,提出了一种外液腔式Janus-Helmholtz结构。通过设置隔声层改变换能器的声辐射模式,从而改善声辐射效率和无指向性方向的声辐射能力,并利用外液腔振动和Janus换能器纵向振动耦合实现宽带发射。基于有限元法设计了一只工作频段为1.1~3.5 kHz的外液腔式Janus-Helmholtz换能器试验样机。样机测试结果显示与设计结果符合得较好,与内液腔式相比,外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器在0°方向的声辐射能力得到了显著改善。     

弯曲模式波测井的多极子换能器

本文根据井孔中弯曲等模式声波的速度频散特性,利用压电晶片的弯曲振动模式,提出并设计了一种用于直接横波测井的偶极子和四极子换能器.对设计制作的多极子换能器的振动和电声性能进行了测试。在快地层人工模拟井孔中的一发一收的试验表明,这种换能器能较好地在充液井孔中激发出弯曲等模式的声波,为实现快慢地层井孔中的直接横波测井提供了一种发射和接收换能器。     

光学腔的共振线型

光学腔借助其特殊的共振线型,成为激光、精密检测、光传感、光开关等技术中尤为重要的光波器件.对已报道的光学腔中几种不同共振线型(洛伦兹型尖峰、洛伦兹型凹谷、不对称Fano型等)进行评述,并分析形成机制.最后,以硅基微环腔为例,提出调控这些共振线型的方法和相关器件结构.     

弯曲振动薄圆盘的共振频率和等效电路参数研究

机电等效电路是分析复合换能器常用的一种解析方法, 但对薄圆盘而言, 由于弯曲振动的复杂性, 其等效集中参数很难获得, 该方法很少被应用. 本文从分布参数系统与集中参数系统等效角度, 根据动能相等原则和势能相等原则, 给出了弯曲振动薄圆盘的集中参数: 等效质量和等效弹性系数, 得到了共振频率方程, 并用ATILA软件模拟了其振动分布情况, 可以看出解析结果与数值结果趋于一致. 最后给出了分析复合振动系统时薄圆盘集中参数模型的等效电路. 本文的结果对弯曲振动复合换能器的设计提供了理论参考.     

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％。     

Dual-Helmholtz resonator transducer driven by flexural disc

An underwater acoustic transducer with dual-Helmholtz resonators is presented.The acoustic output of flexural disc transducer below its resonant frequency can b...     

高频宽带嵌套式复合材料换能器

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310 kHz,最大发送电压响应为188.5 dB,-3 d B带宽可达130 kHz,接收灵敏度最大可达-186.8 dB,-3 dB带宽可达90 kHz,谐振频率处-3 d B的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

多元相控聚焦探测器的方向特性

研究了多元线性阵列探测器的主频、阵元个数和阵元间距对探测器方向性的影响.实验结果表明,采用主频为2～5 MHz,阵元数为5～15,阵元间距为0.3～0.9 mm的多元线性阵列探测器,其方向性好,将有利于光声信号的探测与成像.     

基于LabVIEW的声波谐振管实验研究

为了更高效地测量声波谐振管的谐振频率,本文基于LabVIEW设计了测量声波谐振管谐振频率的扫频程序,分别得到了两端闭管条件下不同管长的谐振频率,以及首端闭管与尾端闭管条件下的谐振频率.此外,还通过绘制管内驻波波形图对声压波腹发生偏离的假设进行了验证.最后,对谐振管管身小孔开闭对谐振频率的影响进行了探究,发现小孔位置越接近驻波的声压波腹,谐振频率的偏离量越大.     

在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用

针对在线车轮超声检测系统的工程应用,研究了圆形螺旋线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场.给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了圆形螺旋线圈换能器在钢试块上的辐射指向性.结果表明,辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解圆形螺旋线圈换能器的辐射声场和在重载货车车轮轮辋在线辋裂缺陷...     

Tunable acoustic radiation pattern assisted by effective impedance boundary

The acoustic wave propagation from a two-dimensional subwavelength slit surrounded by metal plates decorated with Helmholtz resonators(HRs) is investigated both numerically and experimentally in this work. Owing to the presence of HRs, the effective impedance of metal surface boundary can be manipulated. By optimizing the distribution of HRs,the asymmetric effective impedance boundary will be obtained, which contributes to generating tunable acoustic radiation pattern such as directional acoustic beaming. These dipole-like radiation patterns have high radiation efficiency, no fingerprint of sidelobes, and a wide tunable range of the radiation pattern directivity angle which can be steered by the spatial displacements of HRs.     

亥姆霍兹效应和文丘里效应复合型换能器设计*

为合理地从环境中获取能量为无线传感网络和微电子低功耗设备提供能量,该文提出了一种亥姆霍兹效应 和 文丘里效应复合型的换能器结构,收集环境中的能量转换为电能。该装置主要由文丘里管和亥姆霍兹共振器组成。声-结构-电多域耦合仿真,结果表明：换能器传递损失峰值以及电能最大值均发生在245 Hz处,系统共振时,能量转换效率最高。设计了整流桥调理电路与超级电容储能电路,开展了换能器的驱动能力测试,结果表明：换能器所产生的最高电压出现在结构的固有频率245 Hz处,计算得到功率为128.79 μW,实验与理论计算偏差为3.36%;换能器单元在空气压缩机气压为2 kPa的气流作用下可产生0.1148 V电压。