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深水和宽带是声学换能器设计中非常重要的两个性能指标,本论文主要围绕这两个指标进行展开,设计了两类深水宽带换能器:深水宽带球形换能器和深水宽带偶极子换能器。
论文首先提出了一种耐压壳体-匹配层-透声层一体的深水宽带球形换能器设计方案。换能器由陶瓷球、柔顺层、耐压层和水密层四层结构层合而成。陶瓷球外的层合结构兼具耐压壳体、匹配层和透声层的作用,既可以释放压力载荷,提高换能器的耐压性能；又能够展宽换能器的带宽；还有助于声波高效辐射。同时,论文提出了一种由一软一硬两层介质层合而成的耐压壳体设计方案,降低了耐压壳体的特性阻抗,改善了耐压壳体的透声性能。
为了更加透彻地认识换能器的静力和动力特性,论文推导了深水宽带球形换能器的静力学四端网络和动力学等效电路,并采用数值分析软件Matlab对换能器的力学特性进行优化。最后根据优化结果设计了换能器样机,并进行测试。测量结果表明:样机最大发射电压响应为147.5dB,中心频率为60kHz,-3dB工作频带为50kHz～70kHz,发射指向性为全向。压力试验结果表明样机至少能够在1000m深的水下正常工作。
为了进一步提升球形换能器的宽带性能,论文又提出了一种基于多模激励的宽带球形换能器设计方案:通过改变压电陶瓷球驱动电压的激励方式,激发出陶瓷球的多阶模态,应用激发出的多阶模态共同作用展宽带宽。
根据前述理论分析,论文设计了一种多模激励宽带球形换能器,优化结果表明,换能器在12kHz～45kHz的频率范围内只有-3dB的响应起伏。为了提升多模激励宽带球形换能器的耐压性能,论文在多模激励宽带球形换能器结构基础上引入前面提出的耐压壳体-匹配层-透声层一体结构,设计了一种多模激励深水宽带球形换能器。该设计在提升换能器耐压性的同时,进一步改善了辐射性能,优化分析结果表明换能器在10kHz～77kHz的频率范围内只有不到±3dB的频率响应起伏。
声学换能器在声波测井领域也有着广泛的应用。适用于井孔,满足深水宽带要求的偶极子声波测井换能器一直是测井换能器研究中的瓶颈。为了突破这一瓶颈,论文介绍了一种深水低频宽带偶极子发射换能器设计方案。方案中采用了一种弯曲梁结构,弯曲梁结构具有位移转向和振幅放大的作用,能够把陶瓷堆在换能器轴向的振动位移转换成为径向振幅更大的振动位移,位移通过过渡梁作用到一个刚性柱上面,从而推拉刚性柱产生一个摆动,形成摆动柱式的偶极子声源。为了提升换能器的耐压性能,设计中采用了充油的方式来平衡换能器内外的压力。然后应用有限元分析方法对换能器的动态响应性能进行仿真分析。分析结果表明,论文提出深水低频宽带偶极子发射的换能器设计方案是可行的。
为突出重点,简化分析,论文在保持偶极子声源结构不变的基础上采用空气背衬结构设计了一个低频宽带偶极子发射换能器样机,并进行了测试。样机测试结果显示:低频宽带偶极子发射换能器在工作频带500Hz～5000Hz范围内主要存在三个谐振峰,通过三个谐振峰的共同作用使换能器在整个工作频带内均有较好的辐射性能。指向性测试结果表明换能器在工作频带内的绝大部分区域均具有良好的偶极子工作能力。从而证明了提出的偶极子发射换能器结构确实能够实现偶极子发射。