水声换能器原理试题及答案

水声换能器原理试题及答案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,A卷，共2页第1页专业年级,学号姓名授课教师名分数一、1、(10分)简述什么是矢量水听器,简单分类并简述它的优点。2、(10分)何为水声换能器(基阵)的方向特性,其改善方法有哪些,2TEk,S二、1、(9分)诠释符号的物理含义:Q、T、、、d、Mc313133112、(12分)解释下面方程组的物理含义，写出它的矩阵形式并给出x,?,,,?42E,x,sT，dE(n,m,1,2,3)jjiimjm,T,,nm,,dT，E(i,j,1,2,...6),nniim4,,3、(5分)给出压电陶瓷水声换能器的电路状态方程的一般数学表达式，并解释其物理意义。4、(5分)比较压电长条片半波长振子与四分之波长振子的工作特性。三、(9分)有间距为d的n个点声源组成的一均匀线列基阵，当工作频率为(对f应波长为λ)时，求:?G(θ)=,(自定坐标系和定向平面)?方向性锐度角Θ=,?出现极大值和极小值的条件。四、(8分)在ox轴上有一等间距(d=0.25λ)排列的非均匀振幅分布的复合声学系统，该系统各振元振幅之比为1:2:3:4:3:2:1，求:?在xoy定向平面中的G(α)=??当α=π/3时，G(π/3)=?五、(16分)某声呐站的水声换能器是由PZT制成(可逆式)，声信号的辐射面积，为S,表面振速为，它的机电转换系数α、静态电容为C，电损耗阻抗R，,00f机械损耗阻抗分别为R，换能器的等效柔顺性系数C、等效质量为M，当它mmmPZ,R，j,M置于自由场声压的海水中，辐射阻抗为，声场的畸变系数fSSS,为，当换能器的开路输出电压为U时，?画出该换能器处于发射状态时的等效机电图并写出机械振动方程;?求出水介质中换能器的谐振频率、机电效率、电声效率和Q;M?以此换能器接收时，画出其机电等效图并求出谐振状态时的M=?μ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(A卷)共2页第2页六、(16分)假设有一圆管型压电换能器，其内外半径分别为a、b，高为l，工作时，两端暴露，单位面积上受力为p，内表面屏蔽(不受力)，外表面单位0g,,g面积上受到的力为p，压电常数采用g()，设内外半径比为03331()，我们可以分别得到三种极化状态下的开路电压接收灵敏,,ab/0,,,1度为:,1,M,b[g，g(2,,)]径向极化:133311，,2g31M,l[，g]纵向极化:23321,,,,12b1,M,[g(2，,)，g]切向极化:，其中N为弧形单元的个数331331N1，,ln,?试讨论三种极化方式下，当b固定不变时，灵敏度随的变化情况，以为,,横坐标，M为纵坐标，分别画简图表示。?通过?的结果，分析采用径向极化时应注意哪些问题,b2,l?在薄壁圆管的近似条件下，且有，三种极化方式下的灵敏度哪个最,N大,说明理由。?给出两端(纵向)极化的压电长圆棒在相同工作条件下的接收灵敏度。水声换能器原理(A卷)参考答案第一题:1、同时测量水中声压(标量)和同一点介质质点振速(矢量)的水听器，叫做矢量水听器。矢量水听器分为两类:声压梯度型和质点振速型。矢量水听器的优点:1〉有良好的抗干扰能力和线谱检测能力;2〉能对同一点处声场进行目标方向、声压振速联合估计;3〉抗各向同性噪声的能力强;4〉可以进行目标方位的多目标识别。、水声换能器(基阵)的发射响应或接收响应的幅值随方位角变化的特性叫做换能器(基阵)2的方向特性。改善换能器(基阵)方向特性的方法有:1〉采用复合声学系统;2〉发射器采用振幅不均匀分布的工作面;3〉采用特殊的电路系统;4〉采用特殊方向系统。第二题:1、1〉机械品质因数;2〉居里温度;3〉短路弹性柔顺性系数;4〉横向机电耦合系数;5〉短路压电应变常数;6〉自由介电常数。,,,xxx,，2、jjj其中，第一项是压电材料作为纯力学结构，由于受到应力作用而产生的应变;第二项是压电材料作为压电体，由于逆压电效应的存在，由电场强度的变化引起的应变。,,,,,,,，nnn其中:第一项是作为压电体，有压电效应的存在，又应力的变化引起的面电荷密度的变化;第二项是作为纯的介电体，由电场强度的变化引起的面电荷密度的变化。压电方程的矩阵形式:EtxSTdE,，1T,,,，dTE4,63ExSTdE,，,,iimm444,,im11T63,m2,，dTE,,,iim224,,,im11IIIjcV,，,，，,,,,()3、cd0312其中:第一项为静态电流，即压电陶瓷长条片作为静态电容时通过的电流量;第二项为动态电流，用来支持压电体由压电效应引起机械振动所需的电流量。4、振动方式不同，他们的振动模式都是沿长度方向的驻波，但半波长振子两端为波腹，中间为波节;而四分之波长振子前端是波腹，后端是波节。nc谐振频率表达式不同，半波长振子的谐振频率为:()(fn,为奇数)rn2lnc四分之波长振子的谐振频率为:()(fn,为奇数)rn4l其中:C为声波在长条片中的传播速度，l为振子的长度。相同尺寸的振子，半波长振子适合在高频下工作，而四分之波长振子适合低频。第三题:nd,sin(sin),,1、,G(),d,nsin(sin),,,,12、,,,22sin(),nd3、极大值条件:dmsin,,,m极小值条件:dmnsin(1,2,...1),,,,,n第四题:4,dsin(sin),,1、,G(),1d,4sin(sin),,4,dsin(sin),,,G(),2d,4sin(sin),,4,d2sin(sin),,,,GGG()()(),,,12d,216sin(sin),,32sin(),,2G(),2、33216sin(),8第五题:1,,,,VjMjMRR,，，，，()1、3fMsMsjC,M112、谐振频率为:f,r,CMM，2()MMs2R,0机电效率为:,，100%,m2e，，RRR,Ms02,RRs0电声效率为:,，，100%,a2e，，，RRRRR,MsMs0123、,,,,zRRjMMPS，，，，，,[()]MsMsff0jC,M,,zS0,M,2，，zRR,0Ms第六题:,,,2径向极化时，当时，取极小值，因此在设计