基于有限元法的水声换能器设计与分析

基于有限元法的水声换能器设计与分析

李道江，陈航，倪云鹿

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20070699018）

作者简介：李道江（1982-），男，博士研究生，主要研究方向：水声换能器及基阵的优化设计.

（西北工业大学航海学院，西安 710072）

摘要：本文阐述了利用有限元法研究换能器的原理，利用有限元法对Tonpliz 型换能器进行

了模态分析和谐响应分析，根据分析结果制作出换能器实物并进行了消声水池试验测试。测

试结果表明：在一定误差范围内，有限元法能够有效地对换能器的工作状态进行仿真模拟，

并能准确地解算其工作参数，能为换能器的设计和优化提供可靠的技术指导。

关键词： 有限元法；水声换能器；模态分析；谐响应分析；试验测试

The Design and Analysis of Underwater Transducer based on the Finite Element Method

LI Daojiang, Chen Hang, NI Yunlu (School of Marine Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China) Abstract: The theory of the Finite Elements Method is expatiated, the modal analysis and harmonious analysis is done by the Finite Elements Method, the transducer is made according to the analytic results and the experiments are carried out. The experiment result shows that: the working state of transducer can be simulated and the working parameters can be calculated by the Finite Elements Method in a certain error range, and dependable technique can be supplied for transducer’s design and optimization. Key words: the Finite Element Method; modal analysis ；underwater transducer ； harmonious analysis; experiment test

0 引言

Tonpliz 型换能器也称为喇叭型换能器，由于在几何尺寸、性能参数和安装等方面具有

的优点，目前在各型声纳中得到广泛的应用[1]。

目前水声换能器的研究方法有：等效网络法、瑞利法以及有限差分法和有限元法[2]。前两种方法都是通过等效网络分析换能器的工作特

性，其特点是结果精确但计算繁复。而有限元法将换能器复杂的结构化整为零，进行离散化，

建立局部矩阵，然后在集零为整，通过计算机对其进行数值计算，具有建模简单、运算速度

快、结果直观等特点[3]-[6]。本文利用有限元法研究了Tonpliz 型换能器，制作出实物并进行

了消声水池测试。

1 理论分析

有限元法处理结构问题的有限元方程为[7]：

[][][]M u C u K u F ++= （1）

式中[]M 是质量矩阵，[]C 是阻尼矩阵，[]K 是刚度矩阵，u 是节点位移，F 是载荷矢

量。

式（1）中当F =0时，分析类型为模态分析，主要用于计算结构体的固有频率和振型，

是进行其它分析的基础和前提。

式（1）中当

0j t

F F eω

=时，载荷矢量为时间的简谐函数，分析类型为谐响应分析。通过谐响应分析可以求解换能器的工作状态，计算出谐振频率，各个点的位移、应力、导纳曲线、发射电压响应等重要参数。

2Tonpilz型换能器分析

2.1模型建立

本文中采用有限元软件ANSYS来进行换能器分析，分析前在给定的技术指标下计算出换能器各个元器件的几何尺寸，在ANSYS中建立图1所示的模型。为计算方便，建模时仅建立1/4模型。模型中前辐射头，预应力螺杆和后质量块均采用SOLID45单元，激活ux,uy,uz 自由度。压电晶堆采用SOLID5单元，激活ux,uy,uz和volt自由度。

图1 换能器有限元模型图2 换能器网格图

Fig 1 FEM model of the transducer Fig 2 mesh of the transducer 网格划分时，前盖板、后质量块和预应力螺杆采用自由网格划分，生成4节点的四面体单元；压电晶堆采用扫掠网格划分，生成8节点的六面体单元。建模完成后，在换能器边缘施加对称边界条件，根据实际应用情况，在后盖板后端面施加位移约束条件，使其位移ux,uy,uz=0。网格划分并施加约束条件后的模型如图2所示。

2.2模态分析

模态分析时采用LANCOZ法，计算并提取换能器的前十阶振动模态。图3-a中，第一阶模态正是所需的纵向振动模态，其振动频率为20.5KHz，其振动变形图如图3-b所示。

a 模态分析数据

b 振动变形图 a modal analysis data b the vibration deform 图3 换能器模态分析结果

Fig 3 the modal analysis result of the transducer 2.3 谐响应分析

换能器的谐响应分析分为空气中和水中两种情况。空气中进行谐响应分析时，给换能器

压电晶堆两端施加简谐电压激励。图4所示为换能器压电晶堆端面的位移随频率变化的曲

线。从图中可知，换能器谐振频率约为20.5KHz ，这与模态分析所得结果一致。

图4 换能器空气中位移曲线

Fig 4 the displacement curve of the transducer in air 在水中对换能器进行谐响应分析时，需要对流体进行设定。因所建立的模型单元为三维

单元，因此选择两个FLUID30和一个FLUID130作为流体单元。对其中一个FLUID30单元，

将其KEYOPT （2）设置为0，使其实现流体与结构的耦合并激活它的ux 、uy 、uz 和声压自

由度。另一个FLUID30单元的KEYOPT （2）设置为1，只激活它的声压自由度。由于ANSYS

计算时不能模拟无限大声场，因此选择只具备声压自由度的FLUID130附着于第二个

FLUID30单元之上，实现对无限大声场的模拟。与空气中的谐响应分析一样对换能器施加

简谐电压激励进行分析。

图5为换能器在水中的导纳曲线图，由图可知谐振频率约为19KHz ，谐振时电导约为

0.38ms 。图6是根据公式0

20lg 20lg 120V V V V S S L S S ==+（其中0V S 为电压响应基准值1/Pa V μ）计算所得得发射电压响应级曲线，由图可知换能器的-3dB 工作带宽大概为

17KHz—27KHz 。

图5 换能器在水中的导纳曲线 图6 换能器在水中的发射电压响应曲线

Fig 5 admittance curve of the transducer in water Fig 6 SVL curve of the transducer in water 3 试验测试

根据有限元分析时参考的换能器尺寸，制作出换能器的硬件实物，并在西北工业大学航

海学院的消声水池进行了试验测试。

3.1 导纳测试

采用阻抗分析仪分别测试了换能器在水中和空气中的导纳特性，图7为根据测试结果所

绘制的导纳曲线图。测试结果表明：换能器在空气中的谐振频率为21KHz ，有限元分析结

果分别为20.5KHz ，存在2.3%的误差；水中时的谐振频率为19KHz ，与有限元分析结果一

致。换能器在水中谐振时电导约为0.4ms ，有限元结果0.38ms ，它们之间存在5％的误差。

a 空气中导纳曲线

b 水中导纳曲线

a admittance curve in air

b admittance curve in water

图7 换能器导纳曲线图

Fig 7 admittance curve of the transducer 3.2 发射电压响应测试

测量时，试验设备布放如图8所示，测量时记录不同频率下标准水听器的输出电压，根

据式（2）即可计算出换能器的发射电压响应。

()()20lg 20lg oc H B e d SvL d MeL V

α????=?+? （2） 上式中，()oc H

e d ????为标准水听器输出端电压有效值，V 为加载在换能器两端的电压有

效值，α为放大倍数，d为测量距离，()

MeL为标准水听器的灵敏度级。

B

图8 试验示意图图9 发射电压响应曲线Fig 8 experiment Schematic diagram Fig 9 curve of the SVL

图9为根据试验结果绘制的发射电压响应曲线。由曲线可知：换能器的发射电压响应能达到142dB以上，和有限元分析结果基本一致。换能器的-3dB工作带宽在18KHz－26KHz，略低于有限元分析结果。

4结论

本文通过有限元法分析了某型换能器的模态以及工作特性，制作出实物并进行了水池试验，有限元分析结果与试验结果分析可知：有限元方法在一定误差范围内，能够十分有效地对换能器的工作情况进行模拟仿真，并能精确地解算出换能器的工作参数，能够为换能器的设计和优化提供可靠的技术指导。

[参考文献] (References)

[1]滕舵，水声换能器与基阵技术研究，西北工业大学硕士学位论文，2004年2月：1

[2]栾桂冬张金铎王仁乾,压电换能器和换能器阵（上、下册），北京大学出版社，1990年9月：3

[3]滕舵、陈航等，宽带纵振Tonpilz型水声换能器的优化设计[J]，声学技术，2005，24(1)：58-60.

[4]陈航，宽频带纵向振动水声换能器与换能器阵研究，西北工业大学博士学位论文，2004年6月.

[5]王华倩，大型通用有限元分析软件―ANSYS.计算机辅助设计与制造，1998年12月专题：16-18.

[6]王占军，周建方，压电结构有限元分析的动向.河海大学常州分校学报，2002年12月，Vol.16 No.4：

17-22.

[7]刘炜，ANSYS建模及谐响应分析，中国科技信息，2001年第13期：63-64

基于有限元法的水声换能器设计与分析

作者：李道江， 陈航， 倪云鹿， LI Daojiang， Chen Hang， NI Yunlu

作者单位：西北工业大学航海学院,西安,710072

刊名：

新型工业化

英文刊名：New Industrialization Straregy

年，卷(期)：2011(3)

参考文献(7条)

1.滕舵水声换能器与基阵技术研究 2004

2.栾桂冬;张金铎;王仁乾压电换能器和换能器阵 1990

3.滕舵;陈航宽带纵振Tonpilz型水声换能器的优化设计 2005(01)

4.陈航宽频带纵向振动水声换能器与换能器阵研究 2004

5.王华倩大型通用有限元分析软件-ANSYS 1998

6.王占军;周建方压电结构有限元分析的动向 2002(04)

7.刘炜ANSYS建模及谐响应分析 2001(03)

引用本文格式：李道江.陈航.倪云鹿.LI Daojiang.Chen Hang.NI Yunlu基于有限元法的水声换能器设计与分析[期刊论文]-新型工业化 2011(3)

水声通信技术研究进展及应用

水声通信技术研究进展及应用 摘要：水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。文章介绍了水声 通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统组 成和国内外的发展现状。最后对未来的水声通信技术作了预测。 关键词：水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理 1 引言 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。 海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。 2 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8。33kHz，主要用干潜艇之间

多用户水声通信仿真平台设计

多用户水声通信仿真平台设计 作者：赵极远杨威 导师：王逸林 (哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江省哈尔滨市 150001) 摘要：多用户水声通信仿真平台由服务器和客户端两部分组成，在PC机上实现服务器功能，在以Cyclone III FPGA为核心的SOPC系统上实现客户端功能。信号通过客户端的数据采集及处理后，传输至服务器，并与模拟水声信道的冲击响应进行卷积等运算，最后将运算结果转发给其他客户端，实现多用户水声通信仿真功能。 关键词：水声通信；仿真平台；服务器；客户端；SOPC Design of Multi-user Simulation Platform for Underwater Acoustic Communication Author: ZHAO Jiyuan YANG Wei Tutor: WANG Yilin （College of Underwater Acoustic Engineering , Harbin Engineering University ,Heilongjiang Harbin 150001） Abstract:Multi-user simulation platform for underwater acoustic communication consists of two parts, the server and the client. The server runs on a PC, and the client runs on a SOPC system based on Altera's Cyclone III FPGA. After the signal is collected and processed by the client, it will be transmitted to the server and convoluted with impulse response of underwater acoustic channel, and then the result will be transmitted to other clients, so that the system achieves the function of multi-user simulation platform for underwater acoustic communication. Keywords: underwater acoustic communication; simulation platform; server; client; SOPC 随着科学技术的进步，海洋资源的探测与开发日益受到注目。开发海洋资源需要母船、水下机器人和深海固定开发基站协同作业，因此对一个信息化、现代化的海洋通信网络有着极为迫切的需求。由于声波信号是目前已知的唯一能在海洋中远距离传播的信号，水声通信网络应运而生。然而为构建水声通信网络而进行的海洋试验，却由于海上试验高昂的费用和冗长的试验周期让人望而却步，因此设计一套可以在实验室进行模拟海洋环境的水声通信网络仿真平台有着它独到的意义。 国际上，以美国为代表，早在二十世纪七十年代就有较完善的仿真系统问世，我国直到二十世纪九十年代中期才开始有一些对于海洋声信道模型、现代先进声纳信号处理模型等仿真系统的研究。对于水声通信网络仿真系统的研究也仅仅是PC机软件模拟，由软、硬件相结合方法构建的水声通信网络仿真平台恰当的弥补了这一方面的空白，对水声通信网络的研究有着很好的辅助和补充作用。

基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析

目录 摘要 (1) 1引言 (1) 2 简要介绍有限元和极限平衡方法 (1) 3影响边坡稳定性的因素 (2) 3.1水位下降速度的影响 (2) 3.2 不排水粘性土对边坡失稳的影响 (5) 3.3 裂缝位置的影响 (9) 4 总结和结论 (12)

基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析 摘要：相较于有限元分析法，极限平衡法是一种常用的更为简单的边坡稳定性分析方法。这两种方法都可用于分析均质和不均质的边坡，同时考虑了水位骤降，饱和粘土和存在张力裂缝的条件。使用PLAXIS8.0(有限元法)和SAS-MCT4.0(极限平衡方法)进行了分析，并对两种方法获得的临界滑动面的安全系数和位置进行了比较。 关键词：边坡稳定；极限平衡法；有限元法；PLAXIS；SAS-MCT 1.引言 近年来，计算方法，软件设计和高速低耗硬件领域都得到快速发展，特别是相关的边坡稳定性分析的极限平衡法和有限元方法。但是，使用极限平衡方法来分析边坡，可能会在定位临界滑动面(取决于地质)时出现几个计算困难和前后数值不一致，因此要建立一个安全系数。尽管极限平衡法存在这些固有的局限性，但由于其简单，它仍然是最常用的方法。然而，由于个人电脑变得更容易获得，有限元方法已越来越多地应用于边坡稳定性分析。有限元法的优势之一是，不需要假设临界破坏面的形状或位置。此外，该方法可以很容易地用于计算压力，位移，路堤空隙压力，渗水引起的故障，以及监测渐进破坏。 邓肯(1996年)介绍了一个综合观点，用极限平衡和有限元两种方法对边坡进行分析。他比较了实地测量和有限元分析的结果，并且发现一种倾向，即计算变形大于实测变形。Yu 等人(1998年)比较了极限平衡法和严格的上、下界限法对于简单土质边坡的稳定性分析的结果，同时，他们也将采用毕肖普法和利用塑性力学上、下限原理的界限法得到的结果进行了比较。Kim等人(1999年)同时使用极限平衡法和极限分析法对边坡进行分析，发现对于均质土边坡，得自两种方法的结果大体是一致的，但是对于非均质土边坡还需要进行进一步分析工作。Zaki(1999年)认为有限元相对于极限平衡法更显优势。Lane和Griffiths (2000年) 提出一个看法，用有限元方法在水位骤降条件下评价边坡的稳定性，应绘制出适用于实际结构的操作图表。Rocscience有限公司(2001年)提出了一个文件，概述了有限元分析方法的能力，并通过与各种极限平衡方法的结果比较，提出了有限元方法更为实用。Kim等人(2002年)用上、下界限法和极限平衡法分析了几处非均质土体且几何不规则边坡的剖面。这两种方法给出了类似有限元分析法产生的安全系数，临界滑动面位置。 2.简要介绍有限元和极限平衡方法 有限元法(FEM)是一个应用于科学和工程中，求解微分方程和边值问题的数值方法。进一步的细节，读者可参考Clough和Woodward(1967年)，Strang和Fix(1973年)，Hughes(1987年)，Zienkiewicz和Taylor(1989年)所做的研究工作。 PLAXIS 8版(Brinkgreve 2002年)是一个有限元软件包，应用于岩土工程二维的变形和 折稳定性分析。该程序可以分析自然成型或人为制造的斜坡问题。安全系数的确定使用c

现代水声通信技术发展探讨

现代水声通信技术发展探讨 近年来，随着各种新技术的层出不穷，对我国各行业的发展建设都起到了重要推进作用。尤其是在通信技术方面水声技术的发展也越来越成熟，国内外对其研究也越来越重视。目前水声通信主要有以下几种方式，如OFDM、扩频以及其他方式等都是比较常见的，且随着信息技术的不断创新与发展，利用网络技术进行无线电水声通信的研发已经进入比较成熟的阶段，对于实现海洋全方位监测有着不可忽视的重要影响，下面文章就其现代水声通信技术的发展现状进行详细地分析与阐述，希望可以为相关人员提供一定的参考。 标签：水声通信；相干通信；非相干通信 Abstract：In recent years，with the endless emergence of various new technologies，it has played an important role in promoting the development and construction of various industries in China. Especially in communication technology，the development of underwater acoustic technology is becoming more and more mature，and more attention has been paid to the research of underwater acoustic technology at home and abroad. At present，underwater acoustic communication mainly has the following several ways，such as OFDM，spread spectrum and other methods are relatively common，and with the continuous innovation and development of information technology，The research and development of radio underwater acoustic communication using network technology has entered a relatively mature stage，which has an important impact on the realization of marine all-directional monitoring. The following article carries on the detailed analysis and the elaboration to its modern underwater acoustic communication technology development present situation，in order to provide the certain reference for the related personnel. Keywords：underwater acoustic communication；coherent communication；incoherent communication 1 水聲通信技术的发展 早在欧美发达国家就已经将水声通信技术应用于军事和民用两方面，甚至随着计算机技术的发展，在国外一些机构组织研究中已经将计算机技术彻底融入至水声通信技术中并形成了水声通信网络化。水声技术作为海洋开发的重要技术之一，对于海洋的研究及开发有着不可忽视的重要影响。利用水声通信技术可以有效对海底各种信息的传输及数据进行精准分析，对于海洋资源的开发及运用都起到了很重要的影响。通过水声通信技术可以有规律的了解到海洋的全天候的变化和信息资料的收集，作为海洋系统之一水声通信技术的建立和水声通信网络的完善，可以为不同海洋开发客户资源提供全面的检测。甚至能够精准测出环境对海洋资源的影响和自然灾害的发生。在我国在水声通信网络计划方面还处于初级研究阶段，相信在不久的将来，同样可以结合各种先进技术，建立完善的水声通信

201110水声换能器在水下探测应用中的发展

水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）

水声换能器的基础知识

水声换能器基础知识 地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。 1. 水声换能器的应用 目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用： （1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。 （2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。一般工作频率在100kHz~500kHz。 （3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。 2. 水声换能器的分类 换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的，因此，被称作电致伸缩材料，是当今压电换能器的主流，尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。 水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类： （1）纵向振动换能器：其振动方向与长度方向平行。在换能器的长度方向传播应力波，它的谐振基频取决于长度，是声纳系统中使用得最广泛的类型。 （2）圆柱形换能器：采用压电陶瓷圆管（或圆环），通过合适的机械结构，安装成所需的长度。它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器，是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。 （3）弯曲振动换能器：弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点（与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较），其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。

(完整版)第2章水声换能器

第2章 水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验 1.水听器 (1) 分类 根据其用途和校准的准确度 根据其使用材料 根据其用途和校准的准确度分为两级： A.一级标准水听器 建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。绝对法校准。 B.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。比较法校准。 根据其使用材料可分为：a 、压电式：b 、动圈式（或电动式）c 、磁致伸缩式d 、光纤式 (2) 参数①水听器接收灵敏度 ②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范围 ①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度： 水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。 水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。②水听器的指向性 · 指向性响应图 · 指向性指数 · 指向性因数 水听器的指向性图 表示水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。 指向性指数DI 和指向性因数R θ 对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。10lg DI R θ=

③水听器的电阻抗 在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。 ④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。 水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。 水听器的等效噪声压级 （3）GB/T4128-1995 一、二级标准水听器声学性能指标 灵敏度 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率范围的压电型标准水听器（以下同）： 一级：不低于-205dB(0dB re 1v /μPa) 二级：不低于-210dB（0dB re1v/μPa） 自由场灵敏度频率响应 自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范围内，至少有三个十倍频程范围：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。 二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。灵敏度校准及其准确度 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应优于±0.7dB。 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dB。 指向性 一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于150，在选定方向（或主轴）±20的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。

水声通讯系统调研

0 引言 通信技术的发展主要集中在空间通信上。近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。声波是目前水中信息传输的主要载体。因此，人们对水下通信的研究主要集中在对水声通信的研究之上。 水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,由于其在民用和军事上都有重大意义,水声通信一直被人们所重视。文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状。 1 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914 年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945 年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8.33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。 70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。 随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。采用数字技术有两个方面的好处:首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时间和频率上的补

水声换能器

一、1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵 (1) 矩形线列换能器阵结构 利用1-3-2型复合材料阵元组成的矩形线列换能器阵结构见图1，该线列阵由四片矩形1-3-2复合材料阵元构成，阵元沿直线紧密排列。四个1-3-2型复合材料阵元的外形尺寸、内部结构完全相同，均为25mm×25mm×5mm的矩形薄片，内部结构的每个周期中陶瓷柱截面为0.84mm×0.84mm，环氧树脂宽为0.43mm，陶瓷基底厚为0.5mm。1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵的其它辅助部件包括换能器外壳、背衬、解耦材料、聚氨酯、电极引线和电缆等。其中外壳材料选用金属黄铜，形状为上部敞口的长方体空盒，外形尺寸为114mm×33mm×15mm，四面侧壁厚度为2mm，底座厚6mm，其中开有83mm×4mm×3mm 的走线槽。另外，底座中心还有一直径3mm的通孔，用于同轴电缆穿过。外壳的作用主要是定位阵元，承受压力和抗腐蚀等。设计中采用硬质泡沫塑料作为换能器的背衬和边条，背衬和边条厚度均为2mm，复合材料阵元通过环氧粘接剂粘在背衬上，背衬具有反声、绝缘的作用；每个阵元四周由硬质泡沫边条将阵元之问、阵元与外壳之间隔离，目的是解耦和绝缘。另外，背衬和边条还起到定位复合材料阵元的作用。换能器阵元上表面，即换能器辐射面被覆有2mm厚的聚氨酯匹配层，用于防水、透声。 图1矩形线列换能器阵结构 (2) 矩形平面阵结构 图2矩形平面阵结构 (a)整体结构(b) 剖面结构(c) 外壳结构

(3) 圆柱形换能器 (b) 图3圆柱形换能器参考附件中李莉的毕业论文112-128页 二、平面水听器及双激励加匹配层换能器 （非压电复合材料）参考杭州应用声学所

有限元极限载荷分析法在压力容器分析设计中的应用2010

有限元极限载荷分析法在压力容器分析设计中的应用2010-07-15 10:39:54| 分类：分析设计| 标签：极限分析分析设计asme规范先进设计方法经验分享|字号大 中 小订阅 在某炼化一体化项目中，几个加氢反应器均采用分析法设计。详细设计时，国内计算后，反应器的主要受压元件厚度均要比专利商建议的厚度多出10~30mm不等。这其中有国内设计出于保守的考虑，另一个原因：同是采用分析设计，ASME的非线性分析相对先进一点。参与国际竞争时，先进的设计方法值得我们研究。 1.背景 随着中国加入WTO，国内各工程公司正积极走向海外。随之进入国际市场的压力容器产品也面临着严峻的挑战，为了在国际舞台上获得竞争优势，各工程公司必须采用先进的技术设计出更安全和更低成本的产品。压力容器分析设计是力学与工程紧密结合产物，解决了常规设计无法解决的问题，代表了近代设计的先进水平[1]。过去，国内分析设计通常采用弹性应力分析法，通过路径分析，应力线性化处理获得路径上的一次应力和二次应力，进而进行强度评定。该方法主要存在以下问题：⑴对大多数情况是安全可靠的，但对某些结果可能出现安全裕度不足的情况（如球壳开打孔）；⑵如何对有限元法求解获得的总应力分解并正确分类遇到了困难。假如把一次应力误判为二次，则设计的结果将非常危险，反之，把二次应力误判为一次，则又非常保守。文[2]5.2.1.2节明确提到：应力分类需特殊的知识和识别力，应力分类方法可能产生模棱两可的结果。国内专家亦也认为对应力进行正确的分类存在一定困难[3-6]。 以弹性分析代替塑性分析,是一种工程近似方法。实际结构的破坏往往是一个渐进过程，随着载荷的增加，高应力区首先进入屈服，载荷继续增加时塑性区不断夸大，同时出现应力重新分布。当载荷增大到某一值时，结构变为几何可变机构，此时即使载荷不在增加，变形也会无限增大，发生总体塑性变形（overall plastic deformation），此时的载荷称为“极限载荷（limit load）”。 极限载荷分析法（下文简称极限分析）的目的是求出结构的极限载荷。在防止塑性垮塌失效时，极限分析相比弹性应力分析更接近工程实际，同时避免了应力分类，对防止塑性垮塌有比较精确的评定。 2．极限载荷的求解方法 塑性力学提出极限分析法由来已久。经典的极限分析方法有如下3种[8]：(1)广义内力与广义变形法；(2)上限定理与下限定理法；(3)静力法和机动法。经典解法的分析与计算均很复杂，只能应用于少数结构简单的压力容器元件，从而使极限分析的工程应用受到了限制。 上世纪七十年代出现三维有限元计算后，有限元的应用大大扩展。为了适应工程需要，有限元极限分析应运而生，形成了分析设计中的一个重要分支，它使得复杂的塑性极限分析可以通过计算机数值计算得以解决。在不久的将来，极限分析必与弹性应力分析法、弹-塑性应力分析法一同形成三足鼎立之势。极限分析的模型精度和计算成本居后两者之间。

水声换能器与基阵的测量

水声换能器与基阵的测量 1. 阻抗 水声换能器的阻抗通常是指在水声换能器电端测得的电阻抗，具体是指在某一固定频率下加到换能器输入端的瞬时电压与流入换能器的瞬时电流的复数比，单位为欧姆，用符号Z表示。 水声换能器的电导纳则是电阻抗的倒数，即指在某一固定频率下流入换能器的瞬时电流与加到换能器输入端的瞬时电压的复数比，单位为西门子，用符号Y表示。 利用阻抗分析仪可直接测出换能器在串联模式下的电阻抗和并联模式下的电导纳，但该方法通常只用于换能器在小信号状态下的阻抗或导纳测量。 2. 发送响应及声源级 水声发射换能器的发送响应按参考电学量的不同分为发送电压响应、发送电流响应和发送功率响应。 在水下电声测量中，人们通常习惯用分贝来表示某一参量在某一空间点、某一时刻的幅度，相对于一个参考幅度的大小，即所谓级的概念，如声压级、声源级、发送电压响应级、发送电流响应级和发送功率响应级等等。 （1）发送电压响应 换能器发送电压响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与加到换能器输入端的电压之比。 （2）发送电流响应 换能器发送电流响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与流入换能器的电流之比。 （3）发送功率响应 换能器发送功率响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压的平方与输入换能器的电功率之比。 （4）声源级 发射换能器的发射声源级是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压级。 3. 指向性 指向性是指换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或入射声波方向变化的特性，一般用指向性图、指向性因数和指向性指数来表示。 指向性是一个方向的函数，通常用D(θ,φ)来表示，其中φ是水平角，θ是垂直角。因此指向性图是个空间立体图，而且它又是频率的函数，所以指向性图通常要标明测量的频率和测量平面。在实际测量中，指向性图是二维的，通常是指水平指向性图或垂直指向性图。 如果换能器是互易的，则它的发射指向性图和接收指向性图是相同的，但在高功率状态下，由于非线性的影响，发射指向性图和接收指向性图稍有差异。 指向性图通常要作归一化处理，因为它是任一方向上发送响应或接收灵敏度相对于参考方向（通常为声轴方向）上发送响应或接收灵敏度的变化曲线，即将轴向发送响应或接收灵敏度设为0dB，再将任意方向上的发送响应或接收灵敏度与轴向发送响应或接收灵敏度的比值随方向的变化用极坐标或直角坐标下的图形表示出来。 指向性图的特征参量通常用波束宽度和最大旁瓣级来表示。 波束宽度指从主轴的最大响应下降3dB（或6dB、10dB）时左右两个方向的角度，通常称之为下降3dB（或6dB、10dB）的波束宽度。 最大旁瓣级是指最大旁瓣比主轴的最大响应下降的分贝数。 4. 电声线性范围

岩土工程极限分析有限元法及其应用

岩土工程极限分析有限元法及其应用 摘要：通过研究分析发现，将工程结构离散化是极限分析有限元法的核心内容，简单地说实际的工程结构是通过想象进行离散一定数量的规则单元组合体，然后 分析这些组合，结果应用于实际的结构中，通过这种实践在一定程度上解决了工 程建设过程中的问题。因此，本文笔者将详细对极限分析有限元法进行分析阐述。关键字：岩土工程；极限分析有限元法；应用 引言 自上世纪初，岩土工程的极限分析方法（包括极限平衡法、滑移线场法、上下限分析法）取得了较好进展，在实际工程得到了广泛的应用。其中一些方法需要一些人工架设，一些方 法的解决方案非常有限，这限制了该方法的开发和应用。其中有限元法数值方法适应力较强 且应用广泛，但在工程设计中，不能求出稳定安全系数 F 和极限承载力，从而限制了岩土工 程中有限元数值分析方法的运用。 一、经典岩土极限分析法的发展及问题 基于力学的极限分析方法，土体处于理想的弹塑性或者刚塑性状态，处于极限平衡状态，即土体滑动面上各点的剪应力与土体的抗剪强度相等或者滑动面上的作用力与抗剪力相等。 极限平衡状态下的土体有两个力学性质：第一是土体处于不稳定的状态，所以它可以作为一 个岩土工程破坏失稳的判据；第二是岩土材料强度充分发挥，达到最大经济效益，因此，在 岩土工程中常把土体极限平衡作为设计依据。有两种方法可以将地基或土坡引入极限状态： 一是增量加载，如地基的极限承载力；二是强度折减，如土坡的稳定安全系数。 经典极限分析方法普遍应用于均质材料。极限状态的设计计算仅参考破坏条件及屈服条件，不需要参考岩土复杂的本构关系，从而大大简化了岩土工程的设计计算。极限状态计算 应满足以下条件： （1）屈服条件或者破坏条件。 （2）静力平衡条件和力的边界条件。 （3）应变、位移协调条件和位移边界条件。 目前主要采用以下4种经典极限分析法：上、下限分析法、滑移线场法、变分法与极限 平衡法。每种都具有各自的特点，但还有一些需作假定，如上限法、滑移线场法、极限平衡 法等都需对临界滑动面作假定，不适用于非均质材料，特别是岩石工程强度的不均性，从而 限制了极限分析法的应用，这正是极限分析法在经典岩土工程的缺陷。 二、极限分析有限元法的基本原理 2.1 安全系数的定义 有两种方法可以将地基或者土坡引入极限状态：一是增量加载，如求地基的极限承载。 力二是强度折减，如求土坡的稳定安全系数。 极限平衡方法是先假定滑动面，再使用传统边坡稳定分析，按照力(矩)的平衡计算安全系 数并将其定义为滑动面的抗滑力(矩)与下滑力(矩)之比。 目前，不平衡推力法(传递系数法)在我国滑坡稳定分析中得到广泛应用，该方法是我国 独立开创的滑坡稳定分析方法。有关推力安全系数，一般将增加下滑力的分项系数作为安全 贮备，但严格意义上不是荷载增加系数，因为边(滑)坡工程中荷载增加，不但会导致下滑力 增加，还会导致抗滑力增加，但目前的传递系数法中不考虑抗滑力增加，这与力学规律相符。一般，滑坡推力的标准值为：

水声通信技术的发展及其应用

水声通信技术的发展及其应用 姓名：付卓林 班级：机电1015 学号：10223060

摘要：目前水下通信最主要最有效的手段——水声通信技术一直是国内外研究的热点技术，也是一门极具挑战性的课题。本文主要叙述水声通信技术的发展历程以及其在民生、军事等方面的应用，讨论了其发展前景。 关键词：水声通信，声纳，调制解调 Abstract Acoustic communication,the most commonly used and most effective method applied in submarine communication,has long been a hot spot for researchers,and is also a challenging subject.This text focuses mainly on the development of acoustic communication and its applications,andtakes a brief look into its prospects. 1引言 水声通信是一项在水下收发信息的技术，和光波、电磁波相比，声波在水下衰减 较慢，因此可用于水下长距离信号传输。水下通信有多种方法，但是最常用的是使用 水声换能器。水下通信非常困难，主要是由于通道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重，特别是在长距离传输中。水下通信相比有线通信来说速率非常低， 因为水下通信采用的是声波而非无线电波。常见的水声通信方法是采用扩频通信技术，如CDMA等。 2 水声通信技术的发展历程 水声通信技术起源于1914年，这一年水生电报系统研制成功。1945年，美国海军水 声实验室研制成功了第一个有实际意义的水下电话采用单边调制技术，载波频率8.3 3KHz，用于潜艇的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代 末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水 面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系 统性能的提高。70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技 术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用 数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着 处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流 为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。随着用于空间无线电衰落 信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调

水声通信网络浅析

水声通信网络浅析 摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究。水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。 关键词：水声通信网络发展现状 AUV 1.发展现状 目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域，都对水下通信有着极大的需求。 尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率，这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低，目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术，比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM）和单边带（SSB）水下电话。随着VLSI（very large scale intergration，超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。80年代后期出现了水声相干通信，与非相干通信相比，水声相干通信技术可以提高有限带宽水声信道的带宽效率，但是由于水声信道的传播特性恶劣，水声相干通信刚开始并不被接受。90年代DSP（digital signal processing，数字信号处理）芯片技术和数字通信理论的发展使许多复杂信道均衡技术均可以实现，带动了水声相干通信技术的发展，并促使其开始转向对水平信道通信的研究。水下通信发展的一个里程碑式的关键环节是水下声学调制解调器的出现。最早的水下声学网络应用概念是1993年美国提出的自主海洋采样网（AOSN）。美国自1998 年起开始了称为“海网（SeaWeb）”的年度实验，意在验证水下声学网络的概念与实际使用效果。 2. 水声通信网络的特点与拓扑 水声通信网络的节点有以下几个特点：第一，移动性，因此必须是能够自组织的自主网络，遵循一定的网络路由方式；第二，由于采用水下无线通信方式，因此必须能够自适应海洋环境特性，能够解决物理层的技术挑战；第三，由于采用电池供电，所以能量受到限制；第四，具有数据传播功能，可把监测数据传达到岸上。 参照陆上无线传感器网络，水声通信网络的拓扑可分为两大类: 中心化的网络（centralized network）和分布式的对等网络（distributed peer-to-peer network）。 在中心化网络中，节点之间的通信是经过中心节点实现的，并且网络通过这个中心节点接入骨干网。这种配置的主要缺点就是存在单一故障点，即这个节点的失效将导致整个网络的失效。同时由于单个调制解调器的作用距离有限，整个网络的覆盖范围也就有限。

基于有限元法的水声换能器设计与分析

基于有限元法的水声换能器设计与分析 李道江，陈航，倪云鹿 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20070699018） 作者简介：李道江（1982-），男，博士研究生，主要研究方向：水声换能器及基阵的优化设计. （西北工业大学航海学院，西安 710072） 摘要：本文阐述了利用有限元法研究换能器的原理，利用有限元法对Tonpliz 型换能器进行 了模态分析和谐响应分析，根据分析结果制作出换能器实物并进行了消声水池试验测试。测 试结果表明：在一定误差范围内，有限元法能够有效地对换能器的工作状态进行仿真模拟， 并能准确地解算其工作参数，能为换能器的设计和优化提供可靠的技术指导。 关键词： 有限元法；水声换能器；模态分析；谐响应分析；试验测试 The Design and Analysis of Underwater Transducer based on the Finite Element Method LI Daojiang, Chen Hang, NI Yunlu (School of Marine Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China) Abstract: The theory of the Finite Elements Method is expatiated, the modal analysis and harmonious analysis is done by the Finite Elements Method, the transducer is made according to the analytic results and the experiments are carried out. The experiment result shows that: the working state of transducer can be simulated and the working parameters can be calculated by the Finite Elements Method in a certain error range, and dependable technique can be supplied for transducer’s design and optimization. Key words: the Finite Element Method; modal analysis ；underwater transducer ； harmonious analysis; experiment test 0 引言 Tonpliz 型换能器也称为喇叭型换能器，由于在几何尺寸、性能参数和安装等方面具有 的优点，目前在各型声纳中得到广泛的应用[1]。 目前水声换能器的研究方法有：等效网络法、瑞利法以及有限差分法和有限元法[2]。前两种方法都是通过等效网络分析换能器的工作特 性，其特点是结果精确但计算繁复。而有限元法将换能器复杂的结构化整为零，进行离散化， 建立局部矩阵，然后在集零为整，通过计算机对其进行数值计算，具有建模简单、运算速度 快、结果直观等特点[3]-[6]。本文利用有限元法研究了Tonpliz 型换能器，制作出实物并进行 了消声水池测试。 1 理论分析 有限元法处理结构问题的有限元方程为[7]： [][][]M u C u K u F ++= （1） 式中[]M 是质量矩阵，[]C 是阻尼矩阵，[]K 是刚度矩阵，u 是节点位移，F 是载荷矢 量。 式（1）中当F =0时，分析类型为模态分析，主要用于计算结构体的固有频率和振型，