[发明专利]一种基于有限元建模的球形换能器宽带匹配设计方法

权利要求书

1.一种基于有限元建模的球形换能器宽带匹配设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过有限元方法建立球形换能器水中二分之一的二维轴对称有限元模型；对球形换能器模型的压电陶瓷球壳上施加载荷即激励电压，提取换能器电极节点上的电荷，数值计算获得换能器的导纳特性：

G＝Re[Y]

B＝Im[Y]

式中，Y为导纳，ω为角频率，Q为电极处的电荷，V为施加在换能器电极上的载荷,G为电导，B为电纳；

提取换能器在水中辐射的声压，值计算获得发射电压响应：

式中，p_a为距换能器等效声中心为离处的声压，r_a为距等效声中心的距离，V为施加在换能器电极上的载荷；

改变换能器尺寸，仿真不同半径和球壳厚度下球形换能器的导纳特性和发射电压响应，重复步骤1，通过通过数值计算获得换能器的导纳特性和发射电压响应，寻找宽带发射性能最良好的换能器尺寸参数；

步骤2：根据步骤1得到的换能器的导纳特性，以及球形换能器全电等效电路模型，求解球形换能器的静态电容C₀、动态电阻R_d、动态电感L_d以及动态电容C_d：

所述球形换能器全电等效电路模型为：动态电阻R_d、动态电容C_d与态电感L_d依次串联后与静态电容C₀并联，则动态支路导纳为：

在谐振点匹配法的串联电感L_s匹配网络的基础上，并联电容C_P和串联电容C_s，得到匹配后的球形换能全电等效电路模型，则：

系统的总电抗X_e为：

当系统谐振时，系统的阻抗为：

式中，C′＝C₀+C_p，ω_s为换能器谐振角频率,当回路中的串联电感时，有功电阻

步骤3：在电学仿真软件OrCAD中建立基于宽带匹配网络的球形换能器全电等效电路模型，对串联电感L_s、串联电容C_s和并联电容C_p的值进行优化，构造两个阻抗模值相近的谐振峰，得到优化设计的换能器尺寸。

2.一种权利要求1所述基于有限元建模的球形换能器的制作方法，其特征在于：将两个半球壳内外表面均敷有电极，引出内部电极的导线，在沿着球壳直径的方向设置一个小凹槽，在导线引出后，用高强度环氧树脂在出线处进行密封处理，将球形换能器放入灌封模具，进行灌封处理，完成球形换能器的制作。