水声换能器原理试题及答案2

水声换能器原理试题及答案2中国海洋大学命题专用纸,首页,2006学年第1学期试题名称,水声换能器原理,B卷，共2页第1页专业年级,学号姓名授课教师名分数一、基本概念1、(10分)何谓水声换能器,换能器按工作原理是如何分类的，它的分析方法有哪些,2、(10分)简述何谓光纤水听器,简述其优点及几种常见工作方式。D,,T,cx,hi,j,1,2,...,6,jjiijmm3、(12分)解释的物理意义，并给出,x,E,,hx，4,,,m,n,1,2,3nniinmm,E,?T,?，344、(6分)解释机电耦合系数、机电转换系数、机械品质因数、M的定义。μ5、(10分)说明声学基阵、声学复合系统的定义并给出改善基阵方向特性的方法。6、(6分)给出简单的频率方程，说明其物理意义及在换能器设计中的作用。二、(16分)有一10元均匀点源线阵，,=5cm，f=15kHz，c=1500m/s，求(1)确定定向平面，并求出在此定向平面中的G(α)=?(2)试确定极大值、极小值出现的位置;(3)求出其方向性锐度角,(4)何谓栅瓣，如何防止栅瓣的出现。zdoxy命题教师或命题负责人院系负责人授课教师签字签字年月日中国海洋大学命题专用纸,附页,2006学年第1学期试题名称,水声换能器原理,B卷，共2页第2页三、(20分)某水声换能器发射状态等效机械图如下，试求:，,,?,,?(1)写出机械振动方程并求出发射谐振状态时的1a/M(2)写出谐振时的频率方程，并求出谐振频率及带宽、机械品质因数。(3)写出其电路状态方程，并解释其物理含义。(4)以此换能器作为接收用，画出接收时的等效机电图，并求出谐振时的Mμ(其中，换能器的接收面积为s,畸变系数为ν，自由场声压为p)f1:αMCRMRmmmss，,1V3C0,四、(10分)在ox轴上等间距(d,)，而振幅非均匀分布的一复合声学系4统，各无指向性振源的振幅之比为1:2:3:4:4:3:2:1，求在xoy定向平面中的G(α)=,《水声换能器原理试卷(B卷)》参考答案:一、1、水声换能器是一种利用声波在海水中进行观察和通讯的设备，它的作用是借助于某种物理效应将电能转化为水中的机械能(发射)或将水中的机械能转化为电能(接收)的传感器。按工作原理可分为:(1)压电换能器:压电式、电容式、电致伸缩式等;(2)磁致伸缩换能器:电动势、电磁式、磁致伸缩式等;(3)光学水听器:光纤式、光栅式。分析方法:(1)电力声类比法;(2)瑞利法(能量等效法);(3)四端网络法(平面波法);(4)有限元和边界元法。2、光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型水听器。光纤水听器的优点:(1)低噪声的特点;(2)动态范围大;(3)抗电磁干扰与信号串扰能力强;(4)适用于远距离传输与组阵;(5)信号传感与传输一体化，提高系统的可靠性;(6)工程应用条件降低。光纤水听器的工作方式:(1)干涉型光纤水听器;(2)强度型光纤水听器;(3)光纤光栅水听器。3、这是第二类压电相关方程，,,TTT,，，其中第一部分是作为纯力学系统，由应变分量的改变引起的应力的变化，jjj第二部分作为压电体，由于逆压电效应，电荷密度分量的改变引起的应力变化;,,，第一部分是作为压电体，由于压电效应，有应力分量的改变引起的电场EEE,，nnn强度的变化，第二部分是作为纯介电体，由电荷密度分量的改变引起的场强的变化。63DT,c,,h,,,44ii4mmi,1m,163,E,,h,，4,,,,,iimm333i,m,114、机电耦合系数:描述能量转换过程中，能量相互耦合程度的物理量。机电转换系数:指机电转换过程中，转换后的力学量(电学量)与转换前的力学量(电学量)之间的比值。机械品质因数:它是单自由度机械系统的共振尖锐度或频率选择性的度量，它等于存储在共振系统中等效抗性元件上的能量与消耗在等效阻型元件上的能量比值。自由场电压接收灵敏度:接收换能器的开路输出电压与再生厂未放入换能器前的自由场声压的比值。5、根据一定要求，将一定数目的换能器组合在一起，按一定的方式工作的换能器组就叫做基阵;水声设备中，几个方向性相同的换能器组成发射(接收)系统，而每一个换能器又可以分解为若干无方向性换能器的组合，这样的系统就叫做复合声学系统。改善换能器方向性的方法:(1)采用复合声学系统;(2)发射器采用非均匀振幅分布的工作面;(3)采用特殊电路来改善换能器系统的方向特性;(4)采用特殊的方向系统，例如聚焦系统、喇叭系统等。l6、f,，这是压电长条片长度振动换能器的频率方程，其中l为长条片的长度，c为r2c声波在长条片中的传播速度。频率方程是刻画得谐振频率时频率与换能器尺寸之间的关系，材料一定，c就一定，因此频率方程才换能器的初步设计方面有极大的用途，我们选择好材料以及换能器的振动方式，根据工作频率的需要选择换能器的尺寸。第二题:sin(10sin),,,G()1、,10sin(sin),,i,2、极大值条件:,,(1,3,5,...9)i,2i极小值条件:,,,,,,arcsin()(1,3,...9)i1013、方向性锐度角:,,2arcsin()104、出现在非主极大值方向上，幅值根主极大值相同的一系列波束，称作栅瓣。尤其在水听器作主极大值定向时，如果不消除栅瓣，将会引起极大的误差。当水听器的工作频率或接收到声波的d频率较高时，较大，容易出现栅瓣，由极小值条件可知最后一个极小值出现在,999处，即,,,以后，将出现栅瓣。因此时将不,,,,,,,,,,,,,,,()ddsin101010出现栅瓣。第三题:V,3,1、谐振时,fRR，msRs,,，100%amRR，ms1jMM,()0，，,2、频率方程:msjC,m11谐振频率:f,r,CMM，2()mmsMM，1ms品质因数:Q,MRRC，msmRR，1ms,,f带宽:r,2MM，ms3、IIIjCV,，,，,,,cdf03其中第一项是给静态电容充放电电流，叫做静态电流;第二项支配逆压电效应，为换能器振动辐射能量所需的电流，叫做动态电流。14、RRjMMPS，，，，,,,,(())mssmffjC,m,,zS0,M,2，，RRz,ms0第四题:5,sin(sin),2一级阵