（水声工程专业论文）新型弯曲圆盘换能器的有限元设计.pdfVIP

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to f t h es u b m a r i n ei nq u i e tc a p a b i l i t y , e x p l o r a t i o n f o rl o n gd i s t a n c en e e d st h el o wf r e q u e n c ya c t i v es o n a ri m m i n e n t l y i nt h i sr e s u l t ， t h el o wf r e q u e n c y , h i g hp o w e ra n ds m a l ld i m e n s i o nt r a n s d u c e r sf o rd e e pw a t e r b e c o m et h ep r i m a r yc a n d i d a t ea l l da l s ob e c o m et h ep r i m a r y a s p e c to fr e s e a r c hb y t r a n s d u c e ri n v e s t i g a t o r s 。 u s i n gr e y l e i g hm e t h o d ，t h i sp a p e rd e d u c e dt h ev i b r a t i o na n dd i s p l a c e m e n t c n r v cb a s i n go nt h ee d g es t r e n g t h e n i n ga n d 蠢g es u p p o r tb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h e n ，u s i n gt h ea n s y sm o d ea n a l y s e ，t h i sp a p e rg o tt h ev i b r a t i o na n d d i s p l a c e m e n tc l i r v eo ft h ef i n i t em o d e ，a n dc o m p a r e dw i mi t ，p a p e ra l s og o tt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sw h i c hw a ss u i tf o rt h en e wt y p e so fb e m e rd i s kt r a n s d u c e r i nt h i sb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rd e d u c e dt h ee f f o c t i v ee l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ，c e n t r a l i z e de q u i v a l e n tp a r a m e t e ra n ds o m eo t h e rb a s i c p a r a m 或e r s 。a n dc o m p a r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nr a y l e i 馥m e t h o da n d a n s y sf i n i 协m e m o d t h e n + t h i sp a p e ru s e dt h es o f t w a r ea n s y st oa n a l y s et h e i n f l u e n c e so ft h ef r e q u e n c ya n dr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hw e r eb r o u g h to n b ys t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h et r a n s d u c e r , o p t i m i z e dt h es i z eo fs t r u c t u r eb yu s i n g t h i sr e s t i l ta n dd e s i g n e dt h en e wt y p e so fb e n d e rd i s kt r a n s d u c e rf o re x p e r i m e n t a tl a s t ，i tg o tt h er e s o n a n c ef r e q u e n c y , r e s i s t a n c e ，t r a n s m i tv o l tf e s o n a n c eo ft h e t r a n s d u c e rb ys o l u t i o np r o c e s s i n g 漩a n s y s ， a c c o r d i n gt o 氆e s ew o 呔a b o r e ，w em a r i a f a c t u r e da n dm e a s u r e d 氆et e a ln e w t y p e so f b e n d e r d i s k t r a n s d u c e r , g o t i t sr e s o n a n c e f r e q u e n c yi n w a t e r 2 9 7 k h z ，t r a n s m i t t i n gv o l tr e s p o n s e1 3 0 5 d b ，一3 d bb a n dw i d t h7 0 0 h z ， f i n a l l yc o m p a r i n gw i t hc a l c u l a t i n gr e s u l t ， k e yw o r d s ：n e wb e n d e rd i s kt r a n s d u c e r ；r a y l e i g hm e t h o d ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：茎 日期：1 0 0 6 年弓月ls - 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 被探测目标隐身能力的提升己成为声纳系统的最大挑战川。2 1 世纪新一 代武器系统将向提高综合作战能力的方向发展，其中又以提高隐蔽性为重点。 降低自身的声学特性，提高声隐身性能已演变成水中兵器设计中的一场革命。 美国在7 0 年代研制了g p l i p s c o m p 安静型潜艇，9 0 年代建造的s n 2 1 ( 海 狼级) 核潜艇噪声已低于海洋环境噪声【2 j 。俄罗斯也设计出了一批低噪声潜 艇，如被西方称为“大洋黑洞”的k i l o “基洛”级安静型潜艇( 可淹没于一 级海洋环境噪声f 3 】) 。法国、瑞典、德国以及我周边国家日本、韩国、印度、 巴基斯坦、新加坡等都拥有数目可观的安静型潜艇或者低噪音潜艇；越南、 马来西亚、印度尼西亚等也在谋求获得先进潜艇；美国拟出口到我国台湾地 区的新型常规潜艇在技术规格书中写明：辐射噪声低于l 2 级海洋环境噪声 通气管航行时辐射噪声低于3 级海洋环境噪声h j 。 图1 1 美、俄战略核潜艇噪声级对比 由于潜艇在声安静技术方面取得的进展，传统的用被动声纳探测潜艇遇 到了困难，远距离探测潜艇就需要采用主动声纳作为辅助手段。所以研究、 发展低频、大功率并且尺寸比较小的水声换能器成为当务之急。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 低频换能器研究背景 蕾先，海承中球蠢波麴声传撵损失诤为： t l = 2 0 1 9 r + 甜r ( 1 - 1 ) 其中2 0 l g r 为球面波扩展损失，r 为传播距离； 口r 为吸收损失，岛为海水 的吸收系数，它随声波的频率增大而增大。所以，对于低频声波，蕻在介质 中传攒的黉撵损失吃高频声波小，传撵距离逡。同时，圈i 2 表示翁是吸收 损失为6 d b 簿薤离与声波鞭率的关系。飘蓉中可叛看整，声波嚣獭率越低， 那么其传播距离也就越逝。所以，要满足选躐离探测的需要，必须选用低频 换能器。 圈1 。2 吸收损失6 d b 随频率变化 樗次，声源级s l 越高，声纳的作用距离越远。发射器声源级( s l ) 与辐射 声功率( p a ) 存在如下关系： s l = 1 0 1 9 p , + 1 7 0 。7 7 ( 1 - 2 ) s l = 1 0 1 9 p o + 1 7 0 7 7 + ( | 一3 ) 式( 1 2 ) 为无指向性辐射器声源级与辐射声功率的关系，式( 1 - 3 ) 为指向性辐射 器声源缴与辐射声功率的必系，其中d i t 为指向性指数，一般为1 0 - 3 0 d b 。 从中可知，要得使发射器的声源级越高，那么辐射器辐射的声功率也要越大。 所以簧研究大功率发射换舱器以满足远程声纳鹣需要。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 水声换熊器低频、大功率实现方法 涎程声续需要低颓、大功率豹承声换能器，下面将对怎样後筷能器达到 低频、大功率的性能指标溅行简单的介绍。 1 3 1 氐频的实现方法 巍公式 l - u c o o2 、嚣( 1 - 4 ) 其中，是换能器的谐振频率 k 是换能器整个缝襁熬等效剐度 m 是换髓器整个缭秘静等效矮量 从中可以看出，要降低抉能器的频率应该减小换能器的等效剐度并且增大换 能器的等效质量。目前常用的方法是在换能器的设计中使用弯曲振动模态来 代替纵振动模态。常见的双迭片和三迭片换能器就是利用了弯曲振动模态。 茄一耪降 蓑换能器频攀的方法是应用各耱濒型的驱动材料袋 弋饕传统毂 压蘸辫瓷糖精。翻懿，弱溪麓磁致 牵缠奉孝瓣t e r f e n o l - d 、骢豫铁窀擎麓p m n p t 作为羧熊器的驱动材料来制作换能器，其谐振频率将有所降低，尺寸也会比 使用传统驱动材料的同类型换能器有相应的减小。 1 。3 2 大功率的实现方法 低频、大功率水声换能器豹尺寸远，j 、予波长。所以对于k a 1 的脉动球， 辐射声压为【6 】： e ( r ，t ) = 兰p 。“( 1 5 ) ， 径l 鼋鼷点速度u ( f ，1 ) 为： u ( r , t ) ：三篓。羔( 1 + 与酬。( 1 - 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 球源表面上的速度为： u ( d ，f ) = ：! 一( 1 + ) b 7 “一“ ( 1 7 ) p e aj t c a 则可得到离球面1 米处的声源级s l 为： s l ：竺型：璺丝( 1 - 8 ) 4 万4 万 式中，u 为体积速度 x 为体积位移 换能器的辐射声功率可以表示为鸭 只：i 1 ( 了f ) z r ，：；唧2 f 2 r ，( 1 - 9 ) 式中，f 为换能器辐射面位移振幅 足为换能器辐射阻 换能器在低频发射时，由于波长较大，换能器的辐射阻尺，较低。那么由公式 f 1 - 9 1 可知，唯一可以提高声功率的途径是使换能器的辐射面具有更大的位移 f 。不同声源级的活塞辐射器所需的表面位移如图1 3 所示。 袭 嘲 能 移 ( m ) 图1 3 声源级、频率与表面位移振幅关系图 从图中可知，要在1 l d - i z 得到2 0 0 d b 的声源级只需要0 9 m m 的振动位移， 而在1 0 0 h z 时需要l l m m 。所以在换能器的设计过程中，要采用适当的方法 增大换能器辐射面的位移。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 1 4 换能器新型驱动材料 嚣翦，大多数承声换笺嚣鄂袋蠲链镀酸镑( p z t ) 系的压电陶瓷终为聪凌褥 精。发射援麓器一般采用p z 卜霹压电晦瓷，接收换麓器一般采鬟p z 攀5 压电陶瓷。随着人们对材料科学的不断研究，出现了很多新的材料，都可以 作为换能器的驱动材料。下面简要介绍几种换能器用新型驱动材料。 ，4 瓤裂压电陶瓷 4 0 多年来，绝大多数换自器，包括发射器和水昕器，都是压电材料制成， 现阶段都怒采用锆钛酸铅( p z t ) 系的压电陶瓷。近几年来，无铅系压电陶浇1 8 以其环保、愿电性能好的特点，逐渐成为研究的热点，其最新的代表怒以碱 金属镊酸盐为基的陶瓷体系。2 0 0 4 年1 1 月，日本事疆公司研发部研制成功 隘锈酸镲镳泓5 n a o5 冷b 岛帮锈羧锤己i 强0 3 为饕瓣成分懿键酸蓥织秘辫瓷豫。 袭1 1 铌酸盐织构陶瓷与商用锆钛酸铬陶瓷性能比较 参数锯隘盐织构陶瓷商用锆钛酸铅陶瓷 压电常数d a f f p c n ) 4 1 64 1 0 屠熙瀛度t e ( ) 2 5 32 5 0 规电襁台系鼗舄 o ，6 l0 6 0 裙对余键露数，岛 1 5 7 0 2 3 0 0 除了钱酸盐织构陶瓷以外，还有以钛酸铋钠为基的二元或多元陶瓷体 系。钛酸铋钠( b i 0 5 n a 0 5 ) t i 0 3 ( b n t ) 吲具有铁电性强、压电系数大、介电常数 小、声学性能好等优良特性、飘烧结温度低，被认为是最具有吸引力的无锚 压毫晦瓷携糕傣系之一。 丽时，爨有各淹雾经结褥的铋层获鸯瓷藩系纛受巅了穰高酶关注。蒸优 势在于居飘温度高( t c 大于5 0 0 。c ) 、介电常数低、机械质量因子高、澎化性 能好、烧缩温度低等。 硷尔滨工程大学臻学经论文 1 4 2 超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料f o j l j 是稀土元索铽t b ( t e r b i u m ) 、镝d y ( d y s p r o s i u m ) 和铁f e 的化合物，其分予式为t b 。d y 。f e 2 ，称为稀土超磁致伸缩材料，又称 t e r f e n o l - - d 。 t e r f e n o l - - d 与其它材料相比有者优异的特性。一方面它的磁致伸缩效 应最大应交可达i 旷以上，毙逶零承声换能嚣所搜臻懿压电建瓷焱大应交至 少大4 倍；另一方面t e r f e n o l - - d 的能量密度比压电陶瓷至少大1 0 倍以上。 t e r f e n o l - - d 的另一个特点是它的声速仅1 7 0 0 m s ，比压电陶瓷的声速小3 - 4 倍。t e r f e n o l - - o 静缺煮楚枋质隧、梳禳攘二 溷滩、离鞭涡流损耧大、徐穆 比较贵等。近年来开发研究了四元稀土合金，即以适当比例的m n 元素代替稀 土铁三元舍金中酌部分f e 元素，褥到t b ；d y 。( f e ，m n ，) 。豹四元会金，可以 使低磁场下的磁致伸缩系数提高5 0 ，提高桃电祸合系数，降低榜料的声速。 超磁致伸缩材料猩水声换能器得到了广泛的应用。 受夕 蓬褥关注懿蓬猿主超磁致 枣绩复台誊芎辩0 鏊怼) 黢谚究。它楚峦臻主 超磁致伸缩材料粉末和黼结剂合成的金属基本复合材料，此种材料提高了电 阻率，大大降低了涡流损耗，上限频率可扩展到i o o k h z ，大大扩充了在声攀 换能器方蟊的成糟范围，并且g m p c 奉孝睾串易予黼工，可涮成不同的形状。 。4 。3p m n - p t 驰豫铁电单晶 ( 1 - x ) p b ( m g m n b 2 ，3 - x p b t i g ；) ( p m n p t ) 驰豫铁电单晶材料( 1 2 1 3 1 怒5 0 年来 铁电骠域中其裔蓬大突蔽瀚新鍪耱褥，渴望大大提高承下声续静髓糍。骆豫 铁电单晶材料除了其介电常数和压电常数等参数优秀外，其机电耦合系数k 。 分别爨这2 0 0 0 p c n 积0 。9 以上，痊变量达到l 。7 ，枫魄转换效攀秘应变爨 大大越过了现有的p z t 压电陶瓷材料。特男适合于高效率、高灵敏度收发换 能器。此外，p m n p t 单晶克服了水洛性晶体的局限性，由此看来，p m n p t 荤磊将在承声工程中大显襄手，葚麓哥襞弓| 发场声续技术兹革余。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 2 小信号下p m n t 单晶和p z t 陶瓷性能比较 参数 口 岛3 岛瑶瑶 9 3 3 屯 ( k g m 3 ) ( o p a ) ( g p a )r 1 0 。v m n )( ! o m n ) ( p m n ) 材材献 p z t _ 5 7 5 0 03 4 0 0 4 8 1 1 1 1 2 05 9 3 0 0 7 5 p m n t8 0 5 0l l l 0 01 0 27 5 42 92 8 8 0o 9 3 表1 3 大信号下p m n t 单晶和p z t 陶瓷性能比较 参数 p 瑶 岛3 岛 呜3 k ” t a n 5 e d c r e i a t i v e 材材料 ( k g m ) ( g p a )( p m n ) ( p m n ) p z t _ 8 7 6 0 07 41 1 0 0 02 2 50 7 500 0 40 3 90 0 o p m n t 8 0 0 01 5 37 3 0 0 1 9 0 0o 9 30 0 2 5071 1 盘 1 5 典型低频、大功率换能器及其发展 从2 0 世纪8 0 年代开始，低频、大功率的水声换能器成为声纳设计者们 最主要的研究课题。低频、大功率换能器在各种主动声纳中得到了广泛的应 用。 1 5 1 典型低频、大功率换能器 下面简要介绍几种比较典型、成熟的低频、大功率换能器的基本原理和 其特点i 4 l 1 5 心】： 1 h e l m h o l t z 谐振器 最基本的h e l m h o l t z 谐振器通常由一个作驱动的压电圆盘和一个开口金 属空腔组成( 图1 4 a ) 。h e l m h o l t z 谐振器的主要优点是可以承受高的静水压 力；可以在大深度环境下工作：并且自身的声学特性受压力的影响比较小。 主要缺点是水中q 值较大、带宽小、效率低；低频应用时需要提供充足的柔 性；谐振时，腔体的内应力较大；腔内流体在浅深度需要抽气等问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 t o n p i l z 换能 t o n p i i z 换能器主要由压电陶瓷堆，轻金属的辐射头品质块，重金属的 尾部品质块构成( 图i 4 b ) 。它是一种常用的大功率发射换能器，具有以较小 的体积获得大的声能密度而且易于布阵的特点，且设计理论完善、工艺成熟、 制作简单且易于批量化生产。 3 j a n u s 换能器 j a n u s 换能器，可以看作是双端发射的t o n p i i z 换能器( 图1 4 c ) 。它的 优点是结构紧凑，具有良好的功率质量比；能够大功率发射；与支持结构有 较好的耦合，尾质量位于结构的中心；装配成阵比较容易，物理特性和制造 技术比较成熟。j a n u s 换能器的缺点是其频率下限一般不超过4 0 0 h z ，同时其 极限工作深度取决于其压力释放装置。 4 陶瓷弯曲棒换能器 陶瓷弯曲棒换能器是利用矩形板的弯曲振动模式制成的弯曲振动换能 器。它由多个桶形板围成( 图1 4 d ) ，内腔使用压力释放机构来平衡静水压。 这种换能器尺寸较小，在低频时能发射大的声功率，可靠性好。缺点是其使 用受工作深度的限制，并且换能器制作需要大量压电陶瓷，重量大、结构复 杂、成本高。 5 压电圆盘换能器 压电陶瓷弯盐振动圆盘一般采用三迭片结构，将金属圆板夹在两片压电 陶瓷圆盘中间，利用弯曲振动谐振频率低的特点制成低频换能器( 图1 4 e ) 。 它的特点是可以在一个倍频程带内提供较好的功率重量比，且结构简单。 6 环状换能器 环状换能器以外部的圆环作为辐射面，一些长度振予按照“星”型插入 圆环内，每个长度振子由多片压电陶瓷和尾质量块组成( 图1 4 f ) 。此种换能 器由于结构上的特点，可以深水工作，并且有两个主要的谐振频率可以应用， 第一个是比圆环自身的谐振频率稍低的谐振频率，第二个是比每个长度振子 的谐振频率稍高的谐振频率。 埝尔滨工程大学颈学袋论文 图1 4 典型低频、大功率换能器 1 5 2 新型低频、大功率换能鼯 随着久髑嚣海洋开发懿深入，谈褥承声鼓零与承声设备越来越受蜀重褫。 作为水声设备中灌要组成部分的水声换能器投术也得到了飞快的缴展，各种 新型熊承声换熊器不断推出，下蘧镌鬻介绍凡狩毅型豹低频、大功率换能器。 1 开缝圆环换能器1 1 7 j l l 邵 开缝圆环是种新型的低频、大功率换能器。它由个延高度方向开缝 静压壤强譬梅黢，在垂毫溺管卦煮令癸褥蠢薅，强窀爹疼罄惫一黛气整( 飘 1 ，5 a ) 。圆管上的开缝导致了圆管的径向模态被圆管的弯曲模态代替，因此， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这种换能器的频率比传统的圆管、圆环换能器有很大的降低，同时具有功率 大的特点。 利用镶拼圆环加预应力技术，可以对开缝圆环做适当的改进，把驱动材 料由普通开缝圆环变为镶拼开缝圆环( 图1 5 b ) 。这样不仅具有了普通开缝圆 环的各种优点，同时还可以进一步的降低频率、缩小体积、减小重量、增加 带宽。除了单一开缝圆环换能器，还出现了双逢圆环换能器( 图l _ 5 c ) ，它由 压电陶瓷驱动堆及两个半圆柱壳体组成，壳体间形成两条高度方向开缝。 图1 5 开缝圆环换能器剖视图 2 三模态指向性换能器【1 9 【2 0 1 1 2 1 由压电陶瓷圆管做成的声学换能器通常采用呼吸模态或全指向性模态。 然而，如果有合适的驱动，高阶模态就可以被激起，可以产生指向性辐射。 图1 6 的( a ) 是基础的n = o 模态，为全指向性波束。( b ) 是n = l 模态，为偶极 子波束。( c ) 是n = 2 模态，为四极子波束。 o 神o w o o8 ( 9( c ) 图1 6 压电圆管模态图和波束图 这些模式辐射图可以通过组合来获得预期的波束图。把全指向性和偶极 子指向性因子的按比例叠加，得到心型波束图( 图1 7 a ) ；把全模态、偶极子、 四极子按一定的比例进行叠加，得到超级心型波束图( 图1 7 b ) ；把全模态、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 偶极子和四极子叠加，同时减少偶极子和四极子的比例，会得到四分仪波束 图( 图l _ 7 c ) 。 o + 8 * o o + 0 8 t ( c ) 图1 7 三模怒指囱性换能器辐射圈 翻蠲上述灏毽，可戳裁毒鍪三攘态霆囊蛙挨戆嚣。三模态搀囱蛙获熊爨克 服了传统麟管换能器在承平方向上无指向往的缺点，可戬在水平方向形成 定的指向性。这种换能器可以作为水下信息网的调制解调器使用。 3 新型弯张换能器【2 2 】【2 3 】 在传统的弯张换能器的基础之上，对弯张换能器的驱动材料和结构进行 了菠进，掇裹了换戆纛熬牲麓謦嚣疲翅范围，塞现了一些薮鍪兹弯张换翡器。 如墨1 8 _ l 舞示静是鱼唇式夸张羧能器。 图1 8 氟唇式弯张换能器 鱼唇式蛮张换能器的壳体鼹有振幅放大的作用，这种壳体可以有效的发 粪缀逡摄孑爨镶懿搽动位移，发麓受囊熬声功率。溺露鱼j | 妻式弯张换麓器采 88 辫 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用溢流式结构，超磁致伸缩材料驱动，使其具有尺寸小、重量轻、频率低、 宽频带、大功率、大工作深度等特点。 同时利用有限元法和实验相结合发展了c y m b a l 型弯张换能器。c y m b a l 型弯张换能器即可以作为高灵敏度水听器又可作为发射器使用，其结构形式 是将压电陶瓷或压电圆环夹在两个金属端帽之间，形成“三明治”结构。 图1 9c y m b a l 型弯张换能器 c y m b a l 型弯张换能器的金属端帽使压电陶瓷圆片所产生的比较小的辐 射位移和振速转化并且扩大到金属端帽的表面，形成较大的位移和振速，与 同样尺寸的压电陶瓷相比，位移可以大4 0 倍，并且该型换能器的有效机电转 换系数d ”比压电陶瓷高出4 0 倍。同时c y m b a l 型弯张换能器具有设计简单、 制造方便、成本低等特点。 4 新型t o n p i l z 换能器 2 4 】【2 5 1 1 2 6 近一些年来，t o n p i l z 换能器有了新的发展，使用了新的结构和新的驱 动材料，使换能器的性能得到了提高，下面简单介绍几种新型的t o n p i l z 换 能器。 传统的t o n p i l z 换能器采用压电陶瓷作为驱动材料，现在发展了混合磁 致伸缩压电t o n p i l z 换能器( m p t ) 。m p t 换能器是美国海军水下作战中心开 发的一种t o n p i l z 换能器。这种换能器采用了高应变磁致伸缩材料 t e r f e n o l d 和p z t 压电陶瓷材料同时作为其驱动材料，使换能器具有双谐振， 大功率的特点，同时带宽与传统t o n p i l z 换能器相比有较大幅度的增加，并 且t e r f e n o l d 材料的应用使得换能器在相同尺寸、重量的情况下比传统压电 陶瓷t o n p i l z 换能器具有更低的频率同时增加了声源级。图1 1 0 为美国海军 水下作战中心开发的2 5 k h z 混合磁致伸缩压电t o n p i l z 换能器。 从图中可以看出，2 5 k h z 混合磁致伸缩压电t o n p i l z 换能器采用了纵 振动t o n p i l z 的形式，它由t e r f e n o l d 圆管、压电陶瓷堆、前后质量块、可 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以施加2 1 m p 。压力的螺杆等组成。这种换能器经测量，声源级为2 1 4 6 d b l u p 。m ( 在1 5 安培的电流驱动下) ，带宽从2 k h z 到5 4 k h z + 一1 5 d b 。 图1 1 0 混合磁致伸缩压电t o n p i l z 换能器( m p t ) 把双谐振换能器的这种设计进行拓展，设计出了三谐振宽带换能器 ( t r t ) 。三谐振宽带换能器( t r t ) 的第一种设计是由尾部质量块( m 1 ) 、压电 堆( c 1 ) 、中部质量块( m 2 ) 、顺性材料( c 2 ) 、中部质量块( m 3 ) 、顺性材料( c 3 ) 、 声辐射头部质量块( m 4 ) 按机械顺序排列。其结构如图1 1 1 所示。 尾部瘊璧块 头质罴块 图1 1 1 三谐振宽带换能器结构图 这种三谐振宽带换能器中的非振动顺性材料部分控制换能器的高频谐 振部分，压电堆控n t 低频谐振部分。要得到适宜的带宽，可以调整各个部 分的质量，使得中部质量块( m 2 ) 与尾质量块( m 1 ) 质量相等；中部质量块( m 3 ) 质量与头质量块( m 4 ) 质量相等且为尾部质量块质量的一半；所有顺性材料的 哈尔滚工程大学硕士学位论文 质量相等。同时三谐振宽带换能器还存在第二种设计，如图1 1 2 所示。 溪熬 料瑟1 4 鬣瑟 图1 。1 2 三潜箍宽蒂换麓器蘩稳图 这种三谐振宽带换能器中的非振动顺性材率斗同样控制高频谐振部分，压 电堆控制了低频谐振部分，不同的是这种设计中觋配层控制中频部分。三谐 振宽带换能器与传统t o n p i l z 换能器相比，在相同的体积条件下，降低了频 率，增大了磋 宽，具有十分广滋的应弼前景。 1 6 新型弯曲圆盘换能器简介及英应用 在传统的弯曲圆盘换能器( 三叠片、双叠片换能器) 的基础之上，出现 了新型的弯曲圆盘换能器。下蕊简单介绍一下各种新型的弯曲圆盘换熊器以 及瓤型弯魏鞠蠢换鳇器在承声设餐中豹应用。 1 6 1 新激弯曲圆盘换能器简介 新型弯曲圆盘换能器相对于传统的弯曲圆盘换能器，其主要的改进在于 双辐射西的逡用，空气驻结构鹣爨现以及产生弯鳆掇动的机理的更教。 毅壁弯蠡l l 鏊盎换麓器爨瑷较犟豹是双 器摄驽麴灏盘换毙器器”，它戆缭擒 如图1 。1 3 所示。这种换能器主婺由两块压电陶瓷麟片和铝圆板组成。锻压电 陶瓷圆片阐定在铝片上，然厥将两个这样的结构缀合在一起，压电圆片在内 侧，铝片在外侧。选择适当的腿电陶瓷圆片和铝片的半径和厚度，在定的 电压驱动下，换能器会出现两个谐振峰。这种弯曲嬲盘换能器的特点主鐾是 低频、大= 舞率、维褪楚单；每铸绫爨弯莛国鑫换黪器穗晓，扩大了漤赛。 晗尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 3 双谐振弯曲圆盘抉能嚣 在9 0 年代中期，在传统的压电陶瓷弯曲振动换能器的基础之上，对换 能器的结构进行了改进，出现了图1 1 4 a 所示的双辐射面低频弯曲圆搬换能 器【2 8 i 2 9 。从图中可以看到，遴转换能器由两个弯始压电圆盘换能器级成。每 令弯蘧嚣爨获戆器峦一令金嚣灏焱羁一令压电璃瓷鬣鑫缓残，压电颡擞渗簿 度方向极纯，然后把压电陶瓷躐盘秸接在金属圆盘上。把鼹个弯曲压电豳盘 换能器用增强型纤维塑料圈绍台在一起，形成了双辎射面低频弯曲圆撤换能 器。这种络构简单的换能器比传统的换能器更轻、照小，比如传统的驽张换 能器，同时具有低频、大功率的特点。同时还有图1 1 4 b 所示的另一种双辐 袈嚣低羧鬻建毽鑫换戆嚣。 霞1 1 毒双辖瓣蓄低频弯酋振动换稚器 哈尔溟工程大学硕士学位论文 同时，还出现了运用新的弯曲机理和新型的驱动材料而研制的新泌弯曲 圆盘换能器，如新近研制的力嫩弯曲圆盘换能器【3 0 】，如图i 1 5 所示。这种换 能器以一个中闻含煮空气腔麴众矮强盘 睾为主体，金属颡盎的土下鼹拿袭越 为辐羹童嚣。在金属因盘戆迭源滋豳周方自分南羞袋建电活诧穗瓣俸为疆动懿 驱动柱，邋过力矩的变化使金属圆盘产生弯曲振动。这种换能器的特点是大 功率、宽带宽，但是结构比较簸杂。 蚕i 1 5 力矩弯整振动按憩嚣 1 6 2 新型弯曲圆盘换能器的应用 薪型弯越遐盘换憩嚣在承声设备中已经得到了广泛的应壤3 ，因为舆有 低频、大凌攀、俸积毒、蘩秘麓擎、便于大量生产等褥点，多个毅羹弯藏瑟 盘换能器被做成基阵标准组传模块系统( m p s ) 。掇据不同的需要而任徽的组 合，得到不同的性能。一个标凇件模块系统出现敞障，可以及时的更撼，提 高了设备的工作效率。图1 1 6 所示的是两个m p s ，个是4 - 2 5 m p s ( 4 个中心 距为2 5 m m 鲍新型弯曲圆盘换熬嚣组成) ，另一个是1 9 1 6 2 6 1 v l p s 。 鍪i 。1 6 两个鹾黔祥箍：4 - 2 5 m p s 秘1 9 1 6 2 5 1 6 哈尔溱工程大学硕士学位论文 这些由新型弯曲圆盘构成的m p s 可以运用到不同的水声设备中。m p s 可 以应用到船体声纳( h u l lm o u n ts o n a r ) 中，因为幽新型弯曲圆盘构成的m p s 是一释理想豹浅海、低频，宽警，大功率声源，可以为珏淞提供更低的频率 彝更宽戆露楚；荠显懿s 中熬一令瓣臻模块爨褒藏簿，霹班马上更换；鬻辩， 用m p s 构成的h m s 的成本要低予采用t o n p i z 换能嚣构成的h m s 的成本。 其次，由新型弯曲圆盘构成的m p s 已经广泛成用于易消耗性声源中。在 美国海岸巡逻机和潜艇使用的声纳浮标中，都使用了m p s 。图1 1 7 娥声纳浮 标中m p s 示j 鼗图，图中可以番到在声纳浮标的中段使用了m p s 。 图1 1 7 声纳浮标中的m p s 示意图 水面操作的猎雷声纳( m i n e h u n t i n gs o r n a r ) 隳求声源具有良好的浅水 牲能、结构坚固、并且具有非常大的功率，那么出搿型弯曲圜盘换能嚣构成 熬m p s 瞧搿以灞是嚣要。嚣| 。1 8 是猿霉声缎瘊矮魏踅大功率声源，它稳对 于疰 其它秭类换能器构成的声源其有体积小，重爨轻的特点。 图1 ，1 8 骥嚣芦缡爨爱熬超大功察声滚 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由新飘弯曲圆盘构成m p s 还可以运用在水下通信接点信标中。图1 1 9 所示为一个6 0 c m 长，频率为4 0 0 h z 以下的一个水下通信信标，其中使用了 n p s 。 1 7 论文安摊 图1 1 9 应用m p s 的水下通信信标 本文在第一章介绍东声换麓器技术发展的基磷之上，第二章主蚕麓擎夯 绍了运用a n s y s 有限元分析软件分析换能器的理论基础和步骤。第三章主要 是利用瑞利原理，推导了新型蛮曲圆盘换能器的振动位移分布曲线、谢效机 电耦合系数、集中参数等，并结合a n s y s 软件的分析进行了验证。在谂文的 篝霆章中，l 冬运矮a n s y s 软侉瓣鬻整弯錾霾塞按簸耧熬频率将蛙等遨行了分 柝，并对谈能嚣鲍结构进行了优化，最磊运焉分擀的结果设诗了实验麓游薪 型弯曲圆缴换能器。论文的第五章主要介绍新型帮曲圆盘换能器的制作以及 换能器的测毽，并且对实验制作的换能器的测量结果和a n s y s 软件计算的结 果进行了分析比 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章a n s y s 用于换能器设计理论简介 2 1a n s y s 软件简介 在众多通用和专用有限元软件中，美国a n s y s 公司研制的a n s y s 软件是 最有效的商用有限元软件之一。a n s y s 软件从7 0 年代诞生至今，经过3 0 多 年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬件发展的最新水平、功能丰富、用户 界面友好、功能完备的有限元软件系统，现已推出最新的a n s y s l 0 0 版本。 a n s y s 软件主要有以下三个方面的特点： 1 强大而广泛的分析功能：可广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等 多物理场及多场相互耦合的线性、非线性问题的分析。 2 一体化的处理技术：主要包括几何模型的建立、自动网格划分、求解、 后处理、优化设计等许多功能和实用工具。 3 丰富的产品系列和完善的开放体系：不同的产品配套可应用于各种工业 领域如航空、航天、船舶、汽车、兵器、铁道、机械、电子、核工业、能源、 建筑、医疗等。 正是因为a n s y s 软件具有的这些特点，所以a n s y s 软件具有广泛的分析 领域，主要有以下几个方面： 1 结构静力分析一用来求解外载荷引起的位移、应力等。静力分析很适合 求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。 2 结构力学分析一结构力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件 的影响。 3 动力学分析一可以分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中产 生的应力、应变等。 4 热分析一分析热的传导、对流、辐射等问题。 5 声场分析一用来研究在含有流体介质中的声波传播或分析浸没在流体 中的固体结构的动态特性。 6 压电分析一用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、d c ( 直流) 或任意随时 哈尔滨工程大学硕士学位论文 间变化的电流或机械设备载荷的响应。 综上所述，a n s y s 软件将有限元分析、计算机图形学和优化设计技术相 结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的强有力的工具。 2 2a n s y s 软件用于设计弯曲圆盘换能器基本理论简介 a n s y s 在处理结构力学线性问题所依赖的有限元方程如下【3 5 l ： m 】 谢) + 【c 】 ) + 【k 】 “) = f )( 2 1 ) 其中， m 是质量矩阵， c 是阻尼矩阵， k 是刚度矩阵， u ) 是节点位 移矢量， f 是载荷矢量。在结构参数和网格生成后， m 质量矩阵、 c 阻 尼矩阵、 k 刚度矩阵已经完全确定， f ) 载荷矢量的不同决定了不同的分析 类型。下面简单介绍在换能器设计中运用的分析类型： 1 静力分析 如果 f z f 0 ) ，即 等 ： 0 1 ，则属于静力分析。根据准静态原理求解 力作用终点时的状态伽 = 甜) = 0 ，得到静力分析的控制方程为： 【k 】 u ) 2 f )( 2 - 2 ) 静力分析用在换能器设计中，可以得到壳体和振子的应力分布，可以分 析换能器的耐静水压能力，合理选择预应力的大小等。 2 模态分析 如果 f ) = 0 ) ，则属于模态分析，即计算 【 f 舀 + 【c 】 n + 【k 】 “) = 0 ( 2 3 ) 有非零本征值问题。模态分析主要用于计算结构的固有频率和振型。a n s y s 提供了7 种模态提取方法，分别是子空问法、缩减法、非对称法、分块l a n c z o s 法、动力学法，阻尼法、q r 阻尼法。换能器设计中通常使用前三种模态提 取方法。 3 谐响应分析 如果 f ) = f o e p 埘 是时间的简谐函数，则对应的分析类型为谐波分 析，方程简化为： 哈尔溱= c 程大学硕士学位论文 【m i ( u 十 c u + 【足】 u = f o e ( 2 4 ) 谐波分析用来求解线性结构承鼹难弦波动下的系统响应。对于换能器设计来 说，谐响应分李厅是最重要的分襁过程。通过谐响应分辑，可以模拟换熊器在 空气中、承皆瓣工 乍获态，可敬彳嚣翔换髓器在潜羧孵及其它菝率点签瓣位移， 振速，应力，应变等，而且通过a n s y s 提供的数辫计算功能还可以褥到换能 器的导纳曲线、发射电压响应曲线、指向性曲线簿。 2 ，3a n s y s 软件用于弯曲圆盘换畿器设计基本步骤 1 。实舔羧黥器静麓毒乏 对实际换能器进行简化怒分析换能器的第一步，就是从换能器的实际工 程模型出发，结合具体分析问题，通过采取适当的简化与近似，抽豫出对应 的简化模型。简化模型即要嫩能够模拟出换能器待求解问题的本质，又要符 台a n s y s 兹处理改要求暑霹保诞域终求解精度。在般鹣分析中都要忽醛糙接 菠层蠢蠢按攘述痰连续结稳舔。 2 前处理 前处理是设计者把准物理模型在a n s y s 软件中生成有限元模型的过程。 有限元模激中包括了简化模型的几何信息、材料储息、待求解问题的信息， 这些信患邋过设计者建立几何模型，输入材料参数嗣选择单元类型等步骤完 盛。 3 求解 求解怒分析换能器性能的主题内容。设计者聚设定分析的类型和加上已 知的载荷、边界条件，然后a n s y s 软件求解对应的控制方程，得到广义位移 向量和一擞其它的间接结果。 4 嚣楚悉 后处瑷怒设计者利用a n s y s 软件提供酶功能强大的詹处理器将霄隈元方 程的解转化为具体问题的解，得到有关换能器结构力学参数、机电转换参数、 应力分布、振动位移分布、辐射声场分布以及振动声辐射特性等。a n s y s 提 供的两个届处理器，第一个邋髑嚣处理器( p o s t l ) ，即在某一频率点上读取结 稳数据夔实郄帮盛部，显示节点瓣或单元解，运翔提貘瀚运算工具，可以缀 埝零滨工露大学硬学位论文 方便的显示出换能器的振幼状态、换能器的掇型、应力与位移分布情况等； 第二个处理器是嚣寸闯历程处理器( p o s t 2 6 ) ，楚计算变量在一定的频率范围内 的响应变化情况，通过提供的计算工具，可咀计算出用户所需要的物理参数， 得到描述物理量频响关系的曲线，如导纳曲线、导纳圆圈等。 鍪2 1a n s y s 毒羧元软臀菇l 子弯麴黧鑫换链嚣设诗步骤霆 2 4 本章小继 本章首先简单介绍了a n s y s 软件的发展、软件的特点、软件所包含的分 搴螽类黧，然嚣夯缓了a n s y s 软终翔予弯篷霞爨换憩爨设计豹基本蘧论基礁， 最后对a n s y s 软件设计换自器的步骤进行了简单的叙述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章新型弯曲圆盘换能器理论推导 3 1 弯曲圆盘换能器经熟理论分析简介 传统方法对弯曲圆盘换能器进行理论分析，应幽分析弯曲圆盘的弹性力 帮应变出发，结合压电效应的关系式，导出弯益圜纛驰振动方程及边界蘩彳孛 关系式，然蘑求窭漾足上述两者黥缀，再稳籍压电方程求密它的等效惫鼹鹜， 最后利用等效电路图求出表示换能器特性的一些公式。利用上述方法求解， 在数学上的推导相当的烦琐，工程运用不太方便，为了解决上述问题，瓦奈 脱( w o l l e t t ) 利用瑞利( r a y l e i g h ) 原理对弯曲圆盘换能器的工作特性谶行分 辑弘2 j f 3 2 j f 3 引。遮瘸瑞裂原理对弯麴愆盘换能嚣进行分掰主要分为以下的几个步 骤： 1 先假定闼盘作基模振动，因为对于弯曲振动辐射器来说，基模振动楚无 节点圆的模式，具有最大的辐射声功率，并设定对应的振动位移分布曲线 w ( r ) ，一个随r 变化的幂级数所表述的曲线，一般定义为： 娥r ) = 弼+ 强t ( ，a ) 4 - a 2 ( r 8 ) 2 + a 3 ，( r l a ) 3 + 吼( ，a ) 4 ( 3 - 1 ) 2 裁瘸上述戆攘羲位移鏊续，求爨霾盘夔动戆、憾毽潼浚溏援下懿幢戆。 3 。然后利用边界条件和瑞莉原理确定位移曲臻中静代定系数a o 、8 。、托、a ，、 a 。，求出位移曲线，然后利用渤能和位能的关系，求出无负载情况下的谐振 频率，并且出恒流、恒压条件下的位能关系导出换能器的有效机电耦合累数。 4 再运用动能关系式求出等效艨量，由恒压表达式求出等效柔顺性、静态 毫察及辘魄镁合系数，拭瑟褥翻窍莛鋈壹换藐器黪簿皴龟爨墨。 3 2 新型弯曲圆盘换能器分析模型的建立 运用瑞刹原理推导的换能器是一个双辐射面、低频、大功率的弯曲圆盘 换辘器，獒缝稔懿图3 。1f f i 示。这秘挟毙器为三屡夹心缝秘，土下疆艨为两 哈尔滨工程大学硕士学位论文 片沿高度方向极化的