论文部分内容阅读
水声发射换能器的发展趋势是深水、低频、宽带、大功率。Helmholtz类型换能器为溢流结构，可以实现低频大功率发射，但Q值较高。Janus-Helmholtz换能器是一种Helmholtz类型换能器，由Janus换能器-双辐射面纵向振动换能器和嵌套在外面的金属套筒组成，两者中间形成亥姆霍兹腔体。工作时，Janus换能器本身的纵向谐振与亥姆霍兹液腔谐振耦合，一定程度上拓宽了换能器的工作频带，但存在着工作频带内的响应起伏大的缺点。 为了解决上述问题，本文提出一种Janus-Ring换能器，用有源元件组成的压电陶瓷圆环Ring替代传统Janus-Helmholtz换能器中嵌套的金属圆形套筒，形成一个多谐振多激励的宽带振动系统。工作时，Janus-Ring换能器有三个谐振:Janus纵向振动谐振、Ring换能器径向谐振和两者中间形成的亥姆霍兹液腔谐振，三者耦合，有效拓展换能器的工作带宽。合理设计三个谐振分布位置和对应的响应，进一步拓宽工作带宽的同时，减小带宽内的响应起伏。 首先，利用等效网络法分析Janus-Ring换能器的工作原理，建立Janus-Ring换能器的等效电路，分析了参数对换能器振动辐射性能的影响趋势，为研究Janus-Ring换能器奠定了基础。 其次，运用有限元方法对Janus-Ring换能器建立模型并分析。Janus-Ring换能器属于双激励换能器，研究了两者激励电压相位差不同和电压幅值比不同时对Janus-Ring换能器的电声性能的影响规律。研究了几个主要结构参数对Janus-Ring换能器的发射电压响应等性能的影响规律，据此对Janus-Ring换能器的结构进行优化设计，仿真出优化后Janus-Ring换能器虚拟样机的电声性能及振动辐射特性。为了进行对比，并研究分析了Janus-Helmholtz换能器。 根据优化分析结果，研制了Janus-Ring换能器和Janus-Helmholtz换能器样机。Janus-Ring换能器样机最大外形尺寸为Φ247mn×420mm，试验结果显示，Janus-Ring换能器在工作频带1.8kHz～6.5kHz范围内最大发射电压响应144dB，起伏小于3dB，在工作频带1.7kHz～8.0kHz范围内起伏小于6dB。比同频带Janus-Helmholtz换能器发射电压响应大4dB左右，起伏小约6dB。根据模拟计算和实验测试可知，Janus-Ring换能器有着发射功率大、工作频带宽、带内响应起伏小等优点。