超磁致伸缩复合棒换能器研究

论文摘要

随着现代声呐技术的进步和海洋技术的发展,亟需提高水声换能器及基阵综合技术指标。大功率、小尺寸、宽带的换能器成为声纳应用的首选目标和水声换能器工作者研究的主要方向。在此背景下,本文设计了一种超磁致伸缩复合棒换能器,以期在单个换能器上实现这些工作性能。本文根据有限元压电分析理论,推导得出适用于磁致伸缩换能器的压电-压磁类比关系,使ANSYS有限元软件可直接用于模拟分析磁致伸缩换能器。并对使用稀土超磁致伸缩材料作为激励元件的稀土换能器,进行了磁路优化研究。系统研究了磁路结构与磁场分布的具体关系,提出了一种改进的磁路结构。然后在磁路分析的基础上,运用有限元软件对换能器进行耦合场分析,利用纵向振动和前盖板弯曲振动的两个模态相耦合,来达到拓宽频带的效果。通过结构优化,设计了实验用超磁致伸缩复合棒换能器样机,计算了其发送电流响应、阻抗特性、指向性等性能参数。基于以上工作,制做了超磁致伸缩复合棒换能器实验样机。对实验样机进行测量,换能器发送电流响应201dB,-3dB带宽范围为6.2kHz～11.8kHz,证实此种换能器具有频带宽、功率大、尺寸小、重量轻等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 水声换能器的发展方向
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 水声换能器概述
• 1.1.3 换能器新材料
• 1.2 纵向振动换能器
• 1.3 纵振换能器拓宽频带方法
• 1.4 超磁致伸缩换能器
• 1.5 本论文的研究内容
• 第2章 有限元耦合场与电磁场分析理论基础
• 2.1 耦合场分析
• 2.2 电磁场分析—麦克斯韦方程组
• 2.3 本章小结
• 第3章 超磁致伸缩复合棒换能器的磁路优化设计
• 3.1 磁路优化意义
• 3.2 磁路优化内容
• 3.3 单棒式磁路结构优化
• 3.3.1 静态偏置磁场
• 3.3.2 动态驱动磁场
• 3.4 本章小结
• 第4章 超磁致伸缩复合棒换能器的耦合场分析
• 4.1 换能器的尺寸设计
• 4.2 模态分析
• 4.3 谐响应分析
• 4.3.1 空气谐响应分析
• 4.3.2 水中谐响应分析
• 4.3.3 发送电流响应计算
• 4.3.4 声场分布模拟
• 4.4 本章小结
• 第5章 超磁致伸缩复合棒换能器制作及实验测试
• 5.1 换能器的制作
• 5.2 换能器的测量
• 5.2.1 测量系统
• 5.2.2 换能器发送电流响应
• 5.2.3 换能器水平方向指向性
• 5.2.4 换能器阻抗测量
• 5.3 测量结果与有限元分析结果的对比
• 5.4 本章小结
• 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