[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

说明书

本发明涉及一种基于有限元建模的球形换能器宽带匹配设计方法，利用有限元模型结合换能器的全电等效电路，计算得到球形换能器的全电等效电路参数，然后根据宽带匹配理论，完成换能器宽带匹配设计，有效改善换能器的宽带发射性能。最后设计制作一种球形换能器及其宽带匹配网络，实验验证本方法设计的宽带匹配网络可以有效提高球形换能器的发射带宽，并且在工作频段范围内具有较高的发射电压响应。本发明可以在只通过建模仿真计算的情况下，利用有限元方法得到球形换能器的全电等效电路参数，并根据全电等效电路模型完成换能器的宽带匹配设计。可以有效拓宽球形换能器的发射带宽，提高球形换能器的宽带发射性能。

技术领域

本发明属于水声换能器技术，涉及一种基于有限元建模的球形换能器宽带匹配设计方法。

背景技术

在水下声学通信领域中，要求声呐具有高效率、宽带、全向声辐射等工作特性，而水声换能器作为声呐的前端部分，是决定系统性能的关键设备，这就要求水声换能器在获得较大功率的同时，带内发射电压响应尽可能平坦。

通常采用纵弯耦合振动、添加匹配层材料、双激励模态耦合以及阻抗匹配等技术来拓展换能器的工作带宽。纵弯耦合技术是利用换能器的纵振和弯曲振动的多模态耦合来拓展带宽。匹配层技术是通过在换能器的前盖板上增加一层或多层匹配层，增加换能器的工作带宽。阻抗匹配法是利用电抗性元件对换能器的输入阻抗进行调节，使得换能器在谐振频率附近较宽频率范围内接近纯阻状态，达到拓展换能器带宽的目的。

纵弯耦合技术、匹配层技术、双激励模态耦合技术等对换能器的制作工艺要求高，换能器结构复杂，并且拓展的带宽比较有限。然而随着水下通信技术、高分辨率成像技术、宽频带干扰技术的发展，工程中对水声换能器带宽的要求越来越高，而依据换能器的单频点阻抗设计的窄带匹配网络，也具有一定的局限性。因此本发明以球形换能器为研究对象，利用有限元方法，结合球形换能器全电等效电路模型以及换能器匹配理论，提出了一种基于有限元建模的球形换能器宽带匹配设计方法，可以有效拓宽换能器带宽，提高换能器的宽带发射性能。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于有限元建模的球形换能器宽带匹配设计方法。

技术方案

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：