钹式水听器的改进及仿真测试研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
＋
。 。 ：
。 。
（ ） ３
＝ 仃
兰 仃
（ ４）
珊
相
』 。 （ 【 拳 ） ｐ 一＇
一
（ 一 专 ）
㈩
２０ ０ ９年 第 ２期
陈
晟 ， ： 式 水 听 器 的 改进 及 仿 真 测 试 研 究 等 钹
・ ５・ ２
Ｐ０
图２ 受力 分析 简 图 从式（ ５）推 导 出 尤 时 ， 柱 状 压 电 圆 片 ｒ和 ０方 向 应 力 和 为 ： 圆
作者简介 ： 陈晟（ ９２ ） 女 ， １７ 一 ， 福建南平人 ， 西北工业大学博士研究生 ．主要研究方 向： 纳技术． 声
０ 引 言
钹 式 换 能 器 由 两 片 类 似 于钹 的金 属 平 顶 锥 壳 中 间 夹 着 一 片 厚 度 极 化 的 压 电 陶 瓷 晶 片 构 成 ． 用 作 发 当 射 换 能 器 时 ， 通 过 金 属 平 顶 锥 壳 与 压 电 晶 片 的径 向扩 张 振 动 激 发 金 属 平 顶 锥 壳 弯 曲 振 动 完 成 一 种 耦 合 它
２０ ０ ９年 ３月
渭 南师 范 学 院 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＷｅ ｎ ｎ Ｔ ａ ｈ ｒ ｎ ｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｉ ａ ｅ ｃ ｅ ｓ Ｕ ｉｅ ｓ ｙ ｏ ｔ
Ｍ ａｃ ２ ０９ ｒｈ ｏ Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ２ １２ ．
第２ ４卷 第 ２期
钹式 水 听器 的 改进及 仿真 测 试 研 究
故 收 压 敏 为 ＝ｖ ｆ ｆ Ｓ ｋ —］ 接 电 灵 度 ： ＝ １ ２ ｍ ｉ ＝ ［ ＋ Ｒ ） １
近 原 来 灵 敏 度．
ｃ ３
Hale Waihona Puke Baidu
对 于 改 进 后 的水 听 器 ， 为 采 用 并 联 电 路 ， （ ２）电 容 量 Ｃ将 增 加 两 倍 ， 敏 度 将 降 低 ３个 分 贝 ； 因 式 １ 灵 而从
陈 晟 林 关成 ，
（ １西北工业大学 航海学院 ， 西安 ７ ０ ７ ； １０ ２ ２渭南师范学 院 传媒工程系 ， 陕西 渭南 ７４ ０ ） １０ ０
摘
要： 钹式水听器体积小 ， 灵敏度高 ， 但是接收 的性能不够稳定 ， 收频带 比较窄． 接 为了解决这个 问题 ， 文章对钹 式水
听器结构进行改进 ， 将水听器 中单片压电 陶瓷 晶片改成双 片 ， 小晶 片半 径 ， 减 采用并 联 电路 ． 中先对水 听器进 行静态 分 文 析， 然后用有 限元 软件对改进前后的水听器进 行模 拟分 析 ， 最后在水池 中进行实 验． 果都证 明了改进后 的水听器接 收频 结
带变宽 ， 频段内接 收性能稳定 ， 敏度依然较高． 灵 关键词 ： 钹式 水听器 ； 振频率 ； 谐 导纳
中 图分 类 号 ：Ｂ ５ Ｔ ５９ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ９ １８ ２０ ）２ ｏ ４ ４ １０ —５ ２ （０ ９ ０ —０ ２ —０ 收稿 日期 ：０ ８ ｌ— １ ２０一 ２ ５
的 弯 张 振 动 模 态 并 产 生 较 大 的 轴 向位 移 ； 用 作 接 收 水 听 器 时 ， 界 作 用 在 其 表 面 上 的 压 力 通 过 金 属 平 顶 当 外 锥 壳 与 压 电 晶 片 的 径 向扩 张 振 动 模 态 叠 加 ， 生 较 大 的 径 向 张 力 ， 而 提 高 水 听 器 的灵 敏 度 ． 产 从 钹 式水 听器 由于体 积小 ， 量轻 ， 构 简单 ， 工方 便 ， 敏度 高等特 点 ， 来越被 水声 工作者 所青 睐 ， 重 结 加 灵 越 但遗憾 的是 ， 由于 钹 式 水 听 器 中 间 只 夹 一 片 压 电 陶 瓷 ， 容 量 和 谐 振 频 率 的 协 调 有 一 定 难 度 ： 容 量 增 大 ， 电 电 谐振 频率却 减小 ； 之 ， 振频 率增 大 ， 反 谐 电容 量 却 减 小 ． 就 造 成 或 是 接 收 性 能 不 够 稳 定 ， 是 接 收 频 带 太 这 或 窄． 对这 一问题 ， 们对 现有 的钹 式水 听器进行 改进 ， 而 提高水 听器 的接受 性能． 针 我 从
式 （ ３） 看 ， 于 ｄ １ 来 由 和 ２ 大 小 接 近 ， 向 相 反 ． 进 后 的 Ｓ ／ 小 ， 个 灵 敏 度 幅 值 依 然 可 以 调 整 到 接 ｄ． 方 改 ，Ｓ 减 整
ｄ ＝ ｈ ＋ ｒ ｄ ｊ＋ ｄ ２ ，３ ３ （ ９）
将式 （ ７）代 人 后 ， 有 ： 则
（
，
ｌ 一】 ［ ２
（） １ 。
（１ １）
（ ２ １）
电极 上的总电荷为 Ｑ ＝Ｊ ｄ ｄ ｓ 。
则 水 听 器 的 电 容 量 近 似 为 ： ＝ Ｅｆ ０ ｃ ３ ３ １ ～ ￣
１ 改进 后 的钹 式 水 听 器 及 静 态 接 收性 能分 析
改 进 后 的钹 式 水 听 器 用 两 片 并 联 压 电 晶 片 取 代 单 片 的压 电晶 片 ， 时 缩小压 电 晶片 的径 向半径 ， 结 构如 图 １ 同 其
所示．
实 际 水 听 器 的 边 界 条 件 假 设 压 电 片 的 上 下 表 面 不 受 外
力 ， 电片 的圆周 面和金 属钹 盖的外 表面受 均匀 的压力 Ｐ ， 压
受 力 分 析 如 图 ２所 示 ， 有 ： 则
Ｆｉ
：
尺
． 一
尺，
（） １
、一
Ｆ ，：７ ． Ｐ ，２：２ １ ｒ 。Ｆ ．
Ｔ ＝ 二 ！ ‘ Ｈ ．
，
Ｒｌ
（ｊ ２
（ ６） ｌ＋ Ｔ ｌ＝ ２ ０ ｏ ｐ
而 当压 电 圆 片 和 金 属 钹 盖 耦 合 后 ， ｒ和 方 向 ０的 应 力 和 为 ： 在
＋ 一２＋ ＝。鲁一） ， ｐ 凡 ２ ） 。 （ｎ ， 、
＝Ｐ ｏ
（ ７ ）
（） ８
其 中 Ｓ 为 金 属 钹 壳 与 压 电 陶 瓷 片 粘 合 面 积 ， 为 压 电 陶 瓷 片 面 积 ． 根 据 文 献 ： 。 Ｓ 另
。 。 ：
。 。
（ ） ３
＝ 仃
兰 仃
（ ４）
珊
相
』 。 （ 【 拳 ） ｐ 一＇
一
（ 一 专 ）
㈩
２０ ０ ９年 第 ２期
陈
晟 ， ： 式 水 听 器 的 改进 及 仿 真 测 试 研 究 等 钹
・ ５・ ２
Ｐ０
图２ 受力 分析 简 图 从式（ ５）推 导 出 尤 时 ， 柱 状 压 电 圆 片 ｒ和 ０方 向 应 力 和 为 ： 圆
作者简介 ： 陈晟（ ９２ ） 女 ， １７ 一 ， 福建南平人 ， 西北工业大学博士研究生 ．主要研究方 向： 纳技术． 声
０ 引 言
钹 式 换 能 器 由 两 片 类 似 于钹 的金 属 平 顶 锥 壳 中 间 夹 着 一 片 厚 度 极 化 的 压 电 陶 瓷 晶 片 构 成 ． 用 作 发 当 射 换 能 器 时 ， 通 过 金 属 平 顶 锥 壳 与 压 电 晶 片 的径 向扩 张 振 动 激 发 金 属 平 顶 锥 壳 弯 曲 振 动 完 成 一 种 耦 合 它
２０ ０ ９年 ３月
渭 南师 范 学 院 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＷｅ ｎ ｎ Ｔ ａ ｈ ｒ ｎ ｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｉ ａ ｅ ｃ ｅ ｓ Ｕ ｉｅ ｓ ｙ ｏ ｔ
Ｍ ａｃ ２ ０９ ｒｈ ｏ Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ２ １２ ．
第２ ４卷 第 ２期
钹式 水 听器 的 改进及 仿真 测 试 研 究
故 收 压 敏 为 ＝ｖ ｆ ｆ Ｓ ｋ —］ 接 电 灵 度 ： ＝ １ ２ ｍ ｉ ＝ ［ ＋ Ｒ ） １
近 原 来 灵 敏 度．
ｃ ３
Hale Waihona Puke Baidu
对 于 改 进 后 的水 听 器 ， 为 采 用 并 联 电 路 ， （ ２）电 容 量 Ｃ将 增 加 两 倍 ， 敏 度 将 降 低 ３个 分 贝 ； 因 式 １ 灵 而从
陈 晟 林 关成 ，
（ １西北工业大学 航海学院 ， 西安 ７ ０ ７ ； １０ ２ ２渭南师范学 院 传媒工程系 ， 陕西 渭南 ７４ ０ ） １０ ０
摘
要： 钹式水听器体积小 ， 灵敏度高 ， 但是接收 的性能不够稳定 ， 收频带 比较窄． 接 为了解决这个 问题 ， 文章对钹 式水
听器结构进行改进 ， 将水听器 中单片压电 陶瓷 晶片改成双 片 ， 小晶 片半 径 ， 减 采用并 联 电路 ． 中先对水 听器进 行静态 分 文 析， 然后用有 限元 软件对改进前后的水听器进 行模 拟分 析 ， 最后在水池 中进行实 验． 果都证 明了改进后 的水听器接 收频 结
带变宽 ， 频段内接 收性能稳定 ， 敏度依然较高． 灵 关键词 ： 钹式 水听器 ； 振频率 ； 谐 导纳
中 图分 类 号 ：Ｂ ５ Ｔ ５９ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ９ １８ ２０ ）２ ｏ ４ ４ １０ —５ ２ （０ ９ ０ —０ ２ —０ 收稿 日期 ：０ ８ ｌ— １ ２０一 ２ ５
的 弯 张 振 动 模 态 并 产 生 较 大 的 轴 向位 移 ； 用 作 接 收 水 听 器 时 ， 界 作 用 在 其 表 面 上 的 压 力 通 过 金 属 平 顶 当 外 锥 壳 与 压 电 晶 片 的 径 向扩 张 振 动 模 态 叠 加 ， 生 较 大 的 径 向 张 力 ， 而 提 高 水 听 器 的灵 敏 度 ． 产 从 钹 式水 听器 由于体 积小 ， 量轻 ， 构 简单 ， 工方 便 ， 敏度 高等特 点 ， 来越被 水声 工作者 所青 睐 ， 重 结 加 灵 越 但遗憾 的是 ， 由于 钹 式 水 听 器 中 间 只 夹 一 片 压 电 陶 瓷 ， 容 量 和 谐 振 频 率 的 协 调 有 一 定 难 度 ： 容 量 增 大 ， 电 电 谐振 频率却 减小 ； 之 ， 振频 率增 大 ， 反 谐 电容 量 却 减 小 ． 就 造 成 或 是 接 收 性 能 不 够 稳 定 ， 是 接 收 频 带 太 这 或 窄． 对这 一问题 ， 们对 现有 的钹 式水 听器进行 改进 ， 而 提高水 听器 的接受 性能． 针 我 从
式 （ ３） 看 ， 于 ｄ １ 来 由 和 ２ 大 小 接 近 ， 向 相 反 ． 进 后 的 Ｓ ／ 小 ， 个 灵 敏 度 幅 值 依 然 可 以 调 整 到 接 ｄ． 方 改 ，Ｓ 减 整
ｄ ＝ ｈ ＋ ｒ ｄ ｊ＋ ｄ ２ ，３ ３ （ ９）
将式 （ ７）代 人 后 ， 有 ： 则
（
，
ｌ 一】 ［ ２
（） １ 。
（１ １）
（ ２ １）
电极 上的总电荷为 Ｑ ＝Ｊ ｄ ｄ ｓ 。
则 水 听 器 的 电 容 量 近 似 为 ： ＝ Ｅｆ ０ ｃ ３ ３ １ ～ ￣
１ 改进 后 的钹 式 水 听 器 及 静 态 接 收性 能分 析
改 进 后 的钹 式 水 听 器 用 两 片 并 联 压 电 晶 片 取 代 单 片 的压 电晶 片 ， 时 缩小压 电 晶片 的径 向半径 ， 结 构如 图 １ 同 其
所示．
实 际 水 听 器 的 边 界 条 件 假 设 压 电 片 的 上 下 表 面 不 受 外
力 ， 电片 的圆周 面和金 属钹 盖的外 表面受 均匀 的压力 Ｐ ， 压
受 力 分 析 如 图 ２所 示 ， 有 ： 则
Ｆｉ
：
尺
． 一
尺，
（） １
、一
Ｆ ，：７ ． Ｐ ，２：２ １ ｒ 。Ｆ ．
Ｔ ＝ 二 ！ ‘ Ｈ ．
，
Ｒｌ
（ｊ ２
（ ６） ｌ＋ Ｔ ｌ＝ ２ ０ ｏ ｐ
而 当压 电 圆 片 和 金 属 钹 盖 耦 合 后 ， ｒ和 方 向 ０的 应 力 和 为 ： 在
＋ 一２＋ ＝。鲁一） ， ｐ 凡 ２ ） 。 （ｎ ， 、
＝Ｐ ｏ
（ ７ ）
（） ８
其 中 Ｓ 为 金 属 钹 壳 与 压 电 陶 瓷 片 粘 合 面 积 ， 为 压 电 陶 瓷 片 面 积 ． 根 据 文 献 ： 。 Ｓ 另