低频水声发射换能器密集阵特性及其控制研究

由于新型主动声纳系统设计的需要，对低频、宽带、大功率的水声发射换能器阵的研究急待加强。为了达到对换能器阵布放与回收方便的目的，要求发射换能器阵体积、尺寸要小，重量要轻，因此对阵元间距远小于半波长的密集阵的研究尤为重要。水声换能器密集阵各阵元间的互耦作用十分显著，严重影响基阵的发射性能，破坏基阵的幅控、相控加权致使指向性畸变，有时产生负的辐射阻，使功率辐射不出去，甚至损坏阵元，是一个急需解决的技术难题。本课题拟在已有研究成果的基础上，对低频水声发射换能器密集阵的特性及其控制方法进行深入的研究。研究内容主要包括对低频水声换能器密集阵中间添加一定特性障板或者介质材料时的互耦作用进行建模与计算，通过调整障板或者介质材料的特性，对密集阵的互耦作用进行控制，使其获得良好的发射性能。然后在消声水池中对换能器密集阵进行实验验证，使研究的原理、方法和技术获得良好的应用效果。

为了提高主动声纳的探测能力，要求水声发射换能器阵实现低频、大功率、宽带的声辐射。为了达到布放与回收方便的目的，要求换能器阵体积、尺寸要小，重量要轻，因此对阵元间距远小于半波长的密集阵的研究尤为重要。本课题对低频水声发射换能器密集阵的特性及其控制方法进行了深入的研究，项目研究按计划进行,达到原定目标。主要研究内容和取得的研究成果有：. 1.研究了利用有限元、边界元等方法对凹桶型弯张换能器及其密集阵进行建模与计算。计算了换能器的谐振频率、振动模态、导纳曲线、发射电压响应以及辐射指向性等特性。计算结果得到了消声水池中实验测量结果的验证。计算了由三个换能器组成的阵元间距远小于半波长的密集阵的声辐射特性，计算结果可以指导凹桶型弯张换能器密集阵的设计。. 2. 研究了溢流环换能器及其密集阵的声辐射建模与计算。分析比较了常规材料PZT与新型材料PMN-PT对溢流环换能器性能的影响。对溢流环换能器组成的阵元间距为半波长和远小于半波长的三元发射换能器阵进行了建模与计算。研究结果对指导溢流环换能器密集阵的设计有很重要的意义。. 3.研究了利用有限元方法对弯曲圆盘换能器及其密集阵的建模与计算。对单个弯曲圆盘换能器以及不同阵元个数、阵元间距的密集阵的声辐射性能进行了建模与计算。计算结果表明弯曲圆盘换能器密集阵阵元间有很强的相互耦合作用，使得密集阵比单个换能器的谐振频率降低，发射带宽展宽，发射声源级增加。. 4. 研究了障板特性对由多个凹桶型弯张换能器组成的低频水声发射换能器密集阵声辐射特性的影响。利用边界元方法计算了由三个凹桶型弯张换能器组成的密集阵中间添加障板时的声辐射特性。改变障板的大小以及边界阻抗特性，对密集阵的声辐射特性进行计算。研究表明障板特性对密集阵的声辐射性能影响很大，必须选择合适的障板来提高密集阵的声辐射性能。. 5. 对低频水声发射换能器密集阵进行了优化设计并对其声辐射特性进行了实验测量，验证了理论模型的正确性与有效性。对凹桶型弯张换能器及其密集阵的导纳、谐振频率和发射电压响应等参数进行了实验测量，通过电声测量数据以及理论计算结果的分析得到各种情况下换能器的等效电路模型参数。实验结果表明换能器组成密集阵后比单个换能器的谐振频率降低，发射带宽展宽，声源级增加，这些都有利于换能器阵发射性能的提高。