共形驱动弯张换能器理论研究

The small-size characteristic is essentially important for the practical applications of low-frequency transducers. A conformal driven structure where active materials are embedded in the flextentional shell is presented, based on flextensional structural forms. Compared with the conventional flextensional structure, a conformal driven structure possesses a lower resonant frequency to obtain a small structural size. The influence of the conformal driven structure and flextensional shell on the vibration mode and radiation performance is supposed to be studied by energy method and finite element method in the work. The advantages of conformal driven structure will do further benefits to its lower frequency, broadband and directivity characteristics, and are expected to promote the development of flextensional transducers technology in China. This new type of flextensional transducer would have many potential values in the applications of underwater-acoustical countermeasure, long-range underwater communication, ocean monitoring and the exploration of marine sources.

低频水声换能器的小尺寸特性在实际应用中非常重要，本课题基于弯张换能器的结构形式，提出了一种新的共形驱动结构形式，即将有源驱动结构嵌在弯曲振动壳体中，相比于传统纵向驱动的结构，该结构换能器的谐振频率更低，更利于实现弯张换能器的低频、小尺寸特性。将采用能量法和有限元法，重点研究换能器的振动与辐射特性，特别是共形驱动结构和换能器壳体结构形式及其组合方式对振动模态和声辐射特性的影响规律，挖掘共形驱动弯张换能器的诸多优点，实现弯张换能器进一步降低频率、展宽频带、具有指向性工作的目标。为低频、小尺寸的弯张换能器研制提供科学的理论依据和方法，其在低频水声对抗技术、超远程水声通信导航、海洋环境监测及海洋资源开发等领域具有重要应用前景。该课题关于共形驱动结构形式的弯张换能器研究国内外尚属空白，对我国弯张换能器的进一步研究发展具有重要促进作用。

由于目前水下无人平台内部空间及其储能严重不足，致使搭载的主动探测声呐声源频率较高、占用空间较大，使其探测距离只有几公里，制约其海战作战效能。针对水下无人平台等对小尺寸、低频发射换能器的迫切需求，开展一种新型结构-共形驱动换能器的研究，本项目重点研究了共形驱动换能器的驱动结构形式及其振动原理、换能器的分析方法、制作工艺，掌握了换能器实现低频、小尺寸、较大功率、宽带、指向性等特点的方式方法，制作了相关样机，完成了性能测试，实现了项目的所有预期目标。取得的标志性成果为完成了换能器理论分析设计、共形驱动换能器样机制作及其测试，验证了理论分析的正确性。得出的主要结论为：提出了一种共形驱动椭圆环换能器，使其驱动与壳体共形，通过测试对比得出，在同样椭圆换壳体结构下，共形驱动椭圆环换能器较长梁驱动椭圆环换能器水中谐振频率降低了约47%，说明共形驱动椭圆环换能器可以实现低频小尺寸特性；对于共形驱动椭圆环换能器，通过采用四组共形驱动堆形式，在一阶弯曲振动模态节点两侧分布，并反相驱动，可实现此振动模态频率下的较大辐射声功率；在共形驱动三边型换能器的结构形式上，通过改变不同组驱动堆电激励的幅度和相位，实现具有类“8”字形的低频指向性发射。关键数据为：其一测得共形驱动椭圆环换能器在最大外结构尺寸为330mm，水中谐振频率为490Hz，最大发送电压响应值为134.7dB，实现了换能器的低频、小尺寸、较大功率的特性。并与同壳体结构的长梁驱动形式进行性能对比，得出共形驱动形式较同壳体长梁驱动换能器谐振频率下降约47%。其二测得共形驱动三边形换能器，在反相电激励下，水中谐振频率为860Hz，最大发送电压响应值为108dB，在此频率下水平指向性具有类“8”字形。共形驱动换能器具有突出的低频、小尺寸特性，同时内部空间可装配处理电路等，大大节省平台空间，使得平台可搭载更多系统，实现更多功能。所以开展共形驱动换能器的研究对于小平台的主动探测声源应用具有重要的意义。