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用于UUV的小型圆盘换能器及其阵列研究

摘要

针对目前水下无人航行器在空间紧凑的前提下携带载荷过多的问题，为提高声呐设

备使用效率，使其携带的声呐设备小型化、收发一体、集成化、宽带基阵组合，研究其

携带的声呐湿端设备就显得尤为重要，因此论文设计并制作两种新型弯曲圆盘换能器，

性能更优异的七元弯曲圆盘换能器阵列，以及可穿戴式柔性共形阵列来满足此需求。

论文首先根据弯曲圆盘换能器的基本理论，分析其基本参量、等效参数及工作特性

等，并利用COMSOL有限元分析其模态与水中性能。然后基于弯曲圆盘换能器设计溢

流腔圆盘换能器，利用弯曲振动模式与液腔振动模态相耦合来扩展可用频带；设计出复

合圆盘换能器，利用两阶弯曲振动模态耦合来拓宽频带。为优化新型弯曲圆盘换能器的

性能，建立换能器有限元模型，分析换能器结构参数对水中性能的影响并确定最终结构

尺寸。为进一步提高宽带收发性能，根据阵列互辐射理论推导弯曲圆盘换能器七元阵列

的辐射阻抗表达式，并计算7元贴片式阵列的辐射阻抗，确定阵元间距范围。利用有限

元分析换能器阵列不同间距下的水中性能，确定最终阵元间距。根据已设计换能器的实

际表现，提高理论计算频段，设计了36元共形弯曲圆盘换能器阵列，利用柔性材料封

装达到作为共形阵的目的。最后，根据仿真优化的结构尺寸，选择加工工艺，制作所有

换能器，进行水中性能测试并与仿真对比。

测试结果：弯曲圆盘换能器、溢流腔圆盘换能器和复合圆盘换能器的发射电压响应

最大值分别为131.9dB、131.6dB和129.6dB，-3dB带宽分别为3.9kHz、10.1kHz和8.5kHz，

两种新型圆盘换能器相对弯曲圆盘换能器的带宽提升分别为6.2kHz、4.6kHz。谐振频率

附近最大接收灵敏度级分别为为-186.7dB（Ref.1V/μPa）、-187.5dB和-189.6dB，-3dB带

宽分别为4.1kHz、6.6kHz和6.3kHz，两种新型圆盘换能器相对弯曲圆盘换能器的带宽

提升分别为2.5kHz和2.2kHz。低频(3kHz以下)接收灵敏度级：弯曲圆盘换能器、溢流

腔圆盘换能器的接收灵敏度级均为-200dB，有±1dB的波动，复合圆盘换能器的接收灵

敏度级为-206dB，有±1.5dB的波动。7元贴片式换能器阵列在17kHz-35kHz频段的发射

电压响应最大值为144.1dB，最大起伏小于6dB，发射带宽超过一个倍频程，发射带宽

内声源级最大值为193dB；在32kHz以下频段，无前放的情况下，阵列接收灵敏度级最

大值为-195dB，最大波动3dB。柔性共形阵列实际测试有三个响应峰，发射电压响应最

大值为146.9dB，在14kHz-50kHz频段内，最大波动为12.3dB，在300V加载电压下，

最大声源级为196.4dB。溢流腔圆盘换能器整体厚度为1.3cm，半径1.9cm，复合圆盘换

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

能器封装后半径1.4cm，厚度1.2cm；贴片式阵列的尺寸为10cm×7cm×1.2cm；柔性共形

阵列具有可穿戴式的特点。

测试结果表明两种新型圆盘换能器和贴片式阵列均具有较大带宽、尺寸小及收发一

体的特点；柔性共形阵具有可穿戴式、可贴合部分无法定形的背衬或外壳的特点，达到

设计指标，可满足无人航行器的声呐湿端设备需求。

关键词：弯曲圆盘换能器；宽带收发一体；小型化；柔性阵列；有限元分析法

用于UUV的小型圆盘换能器及其阵列研究

ABSTRACT

Inordertoimprovetheuseefficiencyofsonarequipmentandtomakethesonar

equipmentcarriedbyitminiaturized,transceiver,integrated,broadbandbasearray

combination,itis