[发明专利]一种计算溢流环换能器阵声辐射特性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及换能器基阵技术领域，尤其是涉及一种计算溢流环换能器阵声辐射特性的方法。

背景技术

溢流式圆环换能器，简称溢流环换能器，是一种水平无方向性的换能器，利用其液腔振动和径向振动的耦合，使得换能器具有低的谐振频率、宽的频带和高的效率，并且体积小、重量轻、功率大，还有优异的深水性能和良好的指向性。其结构简单紧凑，工作稳定可靠，在水声领域得到了广泛的应用。为了提高水下声源的发射声源级、发射指向性等性能，可以把多个溢流环换能器组阵发射。从而，我们需要深入研究溢流环换能器阵的发射性能，对其声辐射特性进行计算。McMahon给出了溢流环换能器液腔谐振频率和径向谐振频率的近似计算公式，但是McMahon没有给出溢流环换能器其它参数的计算方法，例如换能器的发射电压响应、阻抗特性以及发射指向性等。为了得到溢流环换能器及基阵的发射电压响应、阻抗特性以及发射指向性等特性，通常采用实验测量的方法。利用阻抗分析仪测量其阻抗特性，利用测量换能器及基阵在水下工作时发射声压的大小来得到其发射电压响应及发射指向性等特性。

采用McMahon给出的理论公式计算的溢流环换能器液腔谐振频率和径向谐振频率，只是一个近似计算公式，不是很准确。并且理论公式只能计算谐振频率，对发射电压响应、阻抗特性以及发射指向性等其它特性无法计算，更不能计算溢流环换能器阵的发射特性。而采用实验测量的方法得到溢流环换能器及基阵的发射电压响应、阻抗特性以及发射指向性等特性。这种实验测量的方法需要耗费大量的人力、物力、财力，同时测量受到水声环境、人为操作误差和实验系统误差的影响。并且，实验测量方法不能在基阵设计阶段对其性能进行预测，只能制作出来后再测量其性能好坏，性能不好还需要重新设计、制作，浪费大量的人力和财力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种计算溢流环换能器阵声辐射特性的方法，利用有限元方法结合边界元方法对溢流环换能器阵的声辐射特性进行计算，在溢流环换能器阵的设计阶段就对其性能进行预测，从而指导我们进行换能器阵的优化设计，得到性能优良的发射换能器阵，不仅计算精确，而且节省了大量的人力物力和财力。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种计算溢流环换能器阵声辐射特性的方法，包括如下步骤：

(1)建立溢流环换能器阵的有限元模型：基于溢流环换能器及基阵的结构为上下对称和轴对称，只需建立换能器阵上半部分的轴对称有限元模型，首先给出溢流环换能器的内半径尺寸、外半径尺寸、高度尺寸以及换能器阵的阵元间距，使用ANSYS软件建立溢流环换能器阵的有限元模型；

(2)划分模型有限元网格：在ANSYS软件中，指定所要划分的溢流环换能器阵及其所在流体域有限元网格的单元类型和材料参数，设定网格的大小，然后用自由划分网格的方法对所建立的换能器阵的有限元模型进行网格划分，从而得到换能器阵的有限元模型网格；

(3)进行有限元计算求解：在ANSYS软件中利用模态分析、谐波响应分析方法计算出溢流环换能器及基阵的振动模态、谐振频率、导纳特性、发射电压响应、近场声特性以及振动位移分布特性；

(4)建立溢流环换能器阵的边界元模型：在ANSYS软件中，提取溢流环换能器阵表面的单元网格，导入到SYSNOISE软件中，从而得到换能器阵的边界元模型网格；

(5)结合有限元计算结果利用边界元方法计算声辐射特性：把在ANSYS软件中用有限元方法对溢流环换能器阵进行谐波响应分析得到的换能器阵的表面振动位移分布导入到SYSNOISE软件中，利用边界元方法计算溢流环换能器阵的辐射声场远场特性和辐射指向性特性。

优选的，步骤(1)中，在ANYSYS软件中利用画图操作画出溢流环换能器阵的结构模型图。

优选的，步骤(2)中，需要设定溢流环换能器阵压电材料的刚度矩阵、压电矩阵及介电矩阵，在ANSYS软件中，用来解决压电问题的压电关系的方程为：

{T}＝[c^E]{S}-[e]{E}，

{D}＝[e]^T{S}+[ε^S]{E}，

其中，{T}为应力向量；

{S}为应变向量；

{D}为电位移向量；

{E}为电场向量；

[c^E]为压电材料在常数电场下的刚度矩阵；

[e]为压电材料的压电矩阵；

[ε^S]为压电材料在常数应变下的介电矩阵；