水聲換能器及基陣建模與設計

目錄 
前言 
第1章 緒論 1 
1.1 研究背景及意義 1 
1.2 研究歷史及現(xiàn)狀 3 
1.2.1 水聲換能器的建模分析方法 3 
1.2.2 水聲換能器及基陣的聲輻射建模與計算方法 4 
1.2.3 幾種典型水聲換能器的建模與設計 7 
1.2.4 水聲換能器基陣的互輻射計算及發(fā)射波束優(yōu)化 11 
1.3 本書的結(jié)構(gòu) 13 
第2章 壓電材料的性質(zhì) 15 
2.1 晶體的特征 15 
2.2 晶體的鐵電性 16 
2.3 晶體的壓電性 17 
2.4 壓電晶體的特性 20 
2.4.1 壓電晶體的力學特性 20 
2.4.2 壓電晶體的介電性 25 
2.4.3 壓電效應與壓電方程 27 
2.5 壓電材料的參數(shù) 31 
2.6 常用壓電材料的性質(zhì) 33 
2.7 本章小結(jié) 35 
第3章 換能器的等效電路分析 36 
3.1 換能器機電等效電路模型 36 
3.2 換能器全電等效電路及導納分析 38 
3.3 本章小結(jié) 45 
第4章 換能器的有限元建模 46 
4.1 有限元模型基本理論 46 
4.1.1 結(jié)構(gòu)力學的有限元方程 46 
4.1.2 聲學流體問題理論基礎 46 
4.1.3 聲學流體矩陣推導 48 
4.1.4 邊界阻尼產(chǎn)生的聲波吸收 49
4.1.5 聲學流固耦合問題 50 
4.2 利用ANSYS軟件對換能器進行建模分析方法 51 
4.3 本章小結(jié) 55 
第5章 換能器的邊界元建模 56 
5.1 外部問題邊界積分公式 56 
5.1.1 格林函數(shù) 57 
5.1.2 邊界積分方程 57 
5.1.3 外部亥姆霍茲方程 58 
5.1.4 表面亥姆霍茲方程 61 
5.1.5 內(nèi)部亥姆霍茲方程 63 
5.2 內(nèi)部問題邊界積分公式 63 
5.3 邊界元數(shù)值計算 64 
5.4 奇異積分 69 
5.5 解的非唯一性 70 
5.6 邊界元計算軟件SYSNOISE簡介 70 
5.7 本章小結(jié) 71 
第6章 換能器及基陣聲輻射建模與計算 72 
6.1 均勻脈動球源的聲輻射 72 
6.2 無限大剛性障板平面上圓形活塞的聲輻射 73 
6.3 表面振速分布不均勻的換能器的輻射阻抗 76 
6.4 換能器基陣的互輻射阻抗 76 
6.5 換能器基陣輻射阻抗的邊界元計算 78 
6.6 邊界元法計算典型聲源的聲輻射特性 79 
6.6.1 均勻脈動球源聲輻射的計算 79 
6.6.2 無限大剛性障板平面上圓形活塞的聲輻射計算 82 
6.6.3 無限大剛性障板平面上兩個圓形活塞的互輻射計算 83 
6.7 邊界元法計算平面換能器陣的聲輻射特性 84 
6.7.1 無限大剛性障板上平面陣的聲輻射計算 84 
6.7.2 有限大剛性障板上平面陣的聲輻射計算 87 
6.8 邊界元法計算換能器共形陣的聲輻射特性 91 
6.8.1 陣形任意的換能器基陣的聲輻射計算 91 
6.8.2 水聲換能器共形陣輻射指向性計算及實驗驗證 96 
6.9 本章小結(jié) 101 
第7章 凹桶型彎張換能器及基陣 102 
7.1 空氣中凹桶型彎張換能器三維有限元建模與計算 102
7.1.1 凹桶型彎張換能器有限元模型建立 102 
7.1.2 空氣中凹桶型彎張換能器的模態(tài)分析 103 
7.1.3 空氣中凹桶型彎張換能器的導納計算 104 
7.2 空氣中凹桶型彎張換能器二維軸對稱有限元建模計算 105 
7.2.1 軸對稱有限元模型建立 105 
7.2.2 空氣中凹桶型彎張換能器模態(tài)分析 106 
7.2.3 空氣中凹桶型彎張換能器導納計算 107 
7.3 水中凹桶型彎張換能器二維軸對稱有限元建模計算 109 
7.3.1 水中軸對稱有限元模型建立 109 
7.3.2 水中換能器導納計算 109 
7.3.3 水中凹桶型彎張換能器聲輻射計算 110 
7.4 凹桶型彎張換能器的邊界元計算 112 
7.4.1 單個凹桶型彎張換能器的聲輻射計算 112 
7.4.2 凹桶型彎張換能器基陣的聲輻射計算 117 
7.5 凹桶型彎張換能器及基陣的等效電路分析 125 
7.5.1 凹桶型彎張換能器及基陣電聲測量結(jié)果 125 
7.5.2 單個凹桶型彎張換能器的等效電路模型計算 126 
7.5.3 兩個凹桶型彎張換能器并聯(lián)的等效電路模型計算 128 
7.5.4 三個凹桶型彎張換能器并聯(lián)的等效電路模型計算 130 
7.5.5 等效電路模型計算凹桶型彎張換能器及基陣的導納曲線 132 
7.6 本章小結(jié) 134 
第8章 溢流環(huán)換能器及基陣 135 
8.1 溢流環(huán)換能器諧振頻率理論計算 135 
8.1.1 溢流環(huán)換能器諧振頻率的計算公式 135 
8.1.2 溢流環(huán)換能器諧振頻率的計算與分析 137 
8.2 空氣中溢流環(huán)換能器的有限元建模與計算 138 
8.2.1 換能器軸對稱有限元模型建立 138 
8.2.2 溢流環(huán)換能器空氣中模態(tài)分析 138 
8.3 水中溢流環(huán)換能器的有限元建模與計算 140 
8.3.1 水中溢流環(huán)換能器軸對稱有限元模型建立 140 
8.3.2 水中溢流環(huán)換能器導納計算 140 
8.3.3 水中溢流環(huán)換能器聲輻射特性計算 142 
8.4 水中溢流環(huán)換能器的邊界元建模與計算 144 
8.5 溢流式鑲拼圓環(huán)換能器結(jié)構(gòu) 149 
8.6 溢流式鑲拼圓環(huán)換能器在空氣中的有限元建模計算 150
8.7 溢流式鑲拼圓環(huán)換能器在水中的有限元建模計算 152 
8.7.1 溢流式鑲拼圓環(huán)換能器水中的三維有限元模型 152 
8.7.2 溢流式鑲拼圓環(huán)換能器水中導納計算 152 
8.7.3 溢流式鑲拼圓環(huán)換能器水中發(fā)射電壓響應計算 153 
8.8 溢流環(huán)換能器基陣的建模計算 154 
8.8.1 半波長間距二元溢流環(huán)換能器陣聲輻射計算 154 
8.8.2 半波長間距三元溢流環(huán)換能器陣聲輻射計算 161 
8.8.3 小間距二元溢流環(huán)換能器陣聲輻射計算 167 
8.8.4 小間距三元溢流環(huán)換能器陣聲輻射計算 171 
8.9 本章小結(jié) 175 
第9章 彎曲圓盤換能器及基陣 176 
9.1 彎曲圓盤換能器的有限元建模計算 176 
9.1.1 彎曲圓盤換能器有限元模型 176 
9.1.2 彎曲圓盤換能器水中的諧波分析 177 
9.2 彎曲圓盤換能器密集陣的聲輻射特性建模計算 178 
9.2.1 彎曲圓盤換能器密集陣 178 
9.2.2 四元彎曲圓盤換能器密集陣的有限元模型 179 
9.2.3 四元彎曲圓盤換能器密集陣水中聲輻射計算 180 
9.2.4 八元彎曲圓盤換能器密集陣水中聲輻射計算 183 
9.3 彎曲圓盤換能器的制作 185 
9.4 彎曲圓盤換能器的性能測量 187 
9.4.1 彎曲圓盤換能器空氣中的導納測量 187 
9.4.2 彎曲圓盤換能器水中的導納測量 188 
9.4.3 彎曲圓盤換能器水中發(fā)射電壓響應測量 188 
9.5 本章小結(jié) 189 
第10章 縱振液腔諧振耦合發(fā)射換能器 190 
10.1 縱振液腔諧振耦合發(fā)射換能器諧振頻率的理論計算 190 
10.1.1 縱振液腔諧振耦合發(fā)射換能器的結(jié)構(gòu) 190 
10.1.2 液腔諧振頻率計算 191 
10.1.3 縱振諧振頻率計算 191 
10.2 縱振液腔諧振耦合發(fā)射換能器的有限元建模計算 191 
10.2.1 縱振液腔諧振耦合發(fā)射換能器的有限元模型建立 191 
10.2.2 縱振液腔諧振耦合發(fā)射換能器性能的有限元仿真及實驗驗證 192 
10.3 縱振液腔諧振耦合發(fā)射換能器的指向性優(yōu)化設計 194 
10.4 本章小結(jié) 195 
第11章 水聲換能器共形陣發(fā)射波束優(yōu)化 196 
11.1 水聲換能器共形陣驅(qū)動電壓的邊界元模型優(yōu)化加權(quán) 196 
11.1.1 水聲換能器基陣的驅(qū)動電壓優(yōu)化計算基本原理 196 
11.1.2 仿真計算及實驗結(jié)果 200 
11.2 水聲換能器共形陣驅(qū)動電壓的實測陣列流形優(yōu)化加權(quán) 206 
11.2.1 基于實測陣列流形的水聲換能器基陣發(fā)射波束優(yōu)化原理 206 
11.2.2 仿真計算及實驗結(jié)果 212 
11.3 本章小結(jié) 217 
參考文獻 218