宽带弯曲式换能器研究

论文摘要

弯曲式换能器是一种常用的低频发射换能器,具有小尺寸发射的优点。但是由于其往往为单一振动模态工作,导致换能器带宽较窄,不能够满足实际应用的需求。因此本文研制了一种宽带弯曲式换能器,通过多个弯曲振动模态耦合拓宽频带,从而达到小尺寸宽带双端发射的工作性能。首先,根据换能器经典的解析法、以及常用于分析普通弯曲圆盘换能器的瑞利法的特点,对比各方法用于分析宽带弯曲式换能器的优点及不足,从而确定使用有限元法对换能器进行仿真分析。其次,利用ANSYS有限元软件对宽带弯曲式换能器进行模拟仿真。逐一改变换能器模型的结构尺寸计算换能器各电声性能参数,得出各个尺寸对换能器性能的影响,从而得出换能器最优的结构尺寸。仿真计算结果得：换能器±1.5dB工作带宽可覆盖11kHz～30kHz范围,最大发射电压响应为140.3dB。最后,根据优化得到的尺寸制作了宽带弯曲式换能器的样机,并对其阻抗特性、发射电压响应和声压指向性等电声性能进行测量,测得换能器样机水中的±3dB工作带宽为10kHz～30kHz,最大发射电压响应为141.7dB。换能器样机的实测结果表明,利用多个弯曲振动模态耦合原理,可以有效的拓宽弯曲振动换能器的工作频带,实现小尺寸、宽带的工作性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 水声换能器概述
• 1.2 水声换能器发展趋势
• 1.2.1 水声换能器的低频大功率的发展趋势
• 1.2.2 水声换能器的宽带的发展趋势
• 1.2.2.1 水声换能器的带宽
• 1.2.2.2 水声换能器的宽带要求
• 1.2.2.3 拓宽水声换能器带宽的方法
• 1.3 弯曲式换能器概述
• 1.3.1 常见弯曲式换能器
• 1.3.1.1 普通弯曲圆盘换能器及其振动原理
• 1.3.1.2 新型弯曲圆盘换能器
• 1.3.1.3 其他利用弯曲振动的换能器
• 1.3.2 弯曲式换能器实现宽带的方法
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 宽带弯曲式换能器分析方法
• 2.1 弯曲式换能器的常用分析方法
• 2.1.1 等效电路法
• 2.1.2 瑞利法
• 2.1.3 有限元法
• 2.1.4 有限元和边界元结合法
• 2.2 ANSYS在设计宽带弯曲式换能器中的应用
• 2.2.1 ANSYS有限元软件简介
• 2.2.2 ANSYS软件用于设计换能器的基本理论
• 2.2.3 利用ANSYS软件进行仿真设计的基本步骤
• 2.3 本章小结
• 第3章 宽带弯曲式换能器的有限元分析
• 3.1 宽带弯曲式换能器的结构及其尺寸
• 3.2 换能器的模态分析
• 3.2.1 换能器的有限元模型
• 3.2.2 换能器的模态
• 3.2.3 换能器的结构尺寸对谐振频率的影响
• 3.3 换能器的谐波响应分析
• 3.3.1 空气中的谐波响应分析
• 3.3.1.1 换能器空气中有限元模型
• 3.3.1.2 换能器的阻抗分析
• 3.3.2 水中的谐波响应分析
• 3.3.2.1 换能器水中有限元模型
• 3.3.2.2 换能器水中阻抗特性
• 3.3.2.3 换能器的结构尺寸对发射电压响应的影响
• 3.4 结构优化后宽带弯曲式换能器虚拟样机性能
• 3.5 本章小结
• 第4章 宽带弯曲式换能器的制作与测量
• 4.1 宽带弯曲式换能器的制作
• 4.1.1 换能器的主要零部件
• 4.1.2 换能器的制作过程
• 4.2 宽带弯曲式换能器性能测量与结果分析
• 4.2.1 换能器的导纳曲线
• 4.2.2 换能器水中性能测量系统
• 4.2.3 换能器水中性能测量结果及分析
• 4.3 木章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢