一种圆盘纵深结构换能器以及设计方法与流程

本发明涉及声纳换能器，尤其涉及一种圆盘纵深结构换能器以及设计方法。

背景技术：

1、圆盘-纵向组合振动换能器机电转换效率高、功率容量大，在水声换能器具有广泛应用。不过，此类换能器的声波辐射面积不能超过一定限度，即直径不能超过换能器所辐射的声波波长的四分之一，因而极大地限制了此类换能器的声波辐射面积及辐射功率。现有专利公开了纵向t型大功率超声波换能器，解决了辐射功率和声波辐射面积的限制问题。

2、现有圆盘-纵向组合振动换能器多为超声波换能器，其发射声波频率高，波长短，无法实现远距离探测。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种圆盘纵深结构换能器以及设计方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种圆盘纵深结构换能器的设计方法，包括：s1、确定弯曲圆盘的半径，并使用有限元法确定弯曲圆盘的厚度以及振型数；s2、使用遗传算法以及有限元法设计弯曲圆盘的多个台阶尺寸；s3、将弯曲圆盘与纵向振子进行组装。

3、采用本发明技术方案的有益效果是：将纵向振子以及弯曲圆盘进行组合振动，产生2个原频声波，两个谐振频率均具有较高的发射电压响应，且它们在共同的声场产生了低频的差频声波，该差频声波具有良好的指向性，满足远距离探测需求。并且，弯曲圆盘使用高阶振型辐射板，具有较高的声辐射效率和较薄的厚度，减小了换能器的尺寸和重量，使换能器更加轻便。在弯曲圆盘设计多个台阶，可以调整声束的方向性，以补偿弯曲圆盘上的离散相位差，锐化换能器阵的指向性。根据有限元计算结果，辐射板的高阶振型具有较高的声辐射效率和较薄的厚度。

4、进一步地，步骤s1包括：s11、根据弯曲圆盘的面积大于纵向振子的横截面积原则，确定弯曲圆盘的半径；s12、以弯曲圆盘为基础，建立分析模型；s13、使用有限元法改变弯曲圆盘的厚度以及振型数，确定弯曲圆盘的厚度以及振型数。

5、采用上述进一步技术方案的有益效果是：弯曲圆盘的面积大于纵向振子的横截面积，以增加换能器的声辐射阻力和机械阻力，提高声辐射效率。根据有限元计算结果，弯曲圆盘的高阶振型具有较高的声辐射效率和较薄的厚度。弯曲圆盘使用弯曲高阶振型，具有较高的声辐射效率和较薄的厚度，减小了换能器的尺寸和重量，使换能器更加轻便。

6、进一步地，步骤s2包括：s21、根据弯曲圆盘的多个台阶尺寸的基本条件，以弯曲圆盘的多个台阶尺寸为个体，初始化多个第一种群；s22、使用有限元法，计算第一种群的目标函数值；s23、判断是否完成预设迭代次数的迭代；s24、当完成迭代时，根据第一种群的目标函数值选择一个第二种群，并输出第二种群的个体以及目标函数值。

7、采用上述进一步技术方案的有益效果是：在弯曲圆盘设计多个台阶，可以调整声束的方向性，以补偿弯曲圆盘上的离散相位差，锐化换能器阵的指向性。且台阶尺寸计算结合了有限元法和遗传算法，可以得到满足设计频率的台阶尺寸较优解。结合遗传算法和有限元法，确定多个台阶的确切位置和高度，使声辐射频率函数尽可能平坦。目标函数可以判断种群的优劣，目标函数结果值越小，表明其计算的频率值与设计频率之间的误差越小，说明该种群个体设置越合理。如果完成迭代，则从所有种群中挑选出目标函数值最小的种群，输出该种群的个体以及目标函数值。

8、进一步地，步骤s23之后包括：s231、当未完成迭代时，根据第一种群的目标函数值，设置种群被选择的概率；s232、根据种群被选择的概率，选择第三种群；s233、对第三种群进行两两杂交，形成第四种群；s234、设置变异概率；s235、根据变异概率，对第四种群的个体进行变异，返回步骤s22。

9、采用上述进一步技术方案的有益效果是：如果未完成迭代，则进行选择、杂交以及变异等后续操作，继续迭代。根据种群的目标函数值，设置种群被选择的概率，目标函数值越小，被选择的概率越高。选择完成后，进行两两杂交产生新的种群。

10、进一步地，步骤s231中，目标函数值越小，被选择的概率越高；变异概率为0.002。

11、采用上述进一步技术方案的有益效果是：根据种群的目标函数值，设置种群被选择的概率，目标函数值越小，被选择的概率越高。选择完成后，进行两两杂交产生新的种群。设置变异概率为0.002，对杂交后代的个体进行变异。

12、进一步地，步骤s22包括：s221、通过弯曲圆盘振动的频域方程，计算振动激励力的傅里叶变换；s222、根据振动激励力的傅里叶变换以及弯曲圆盘的预设声波频率振动激励力的傅里叶变换，计算第一种群的目标函数值。

13、采用上述进一步技术方案的有益效果是：目标函数可以判断种群的优劣，目标函数结果值越小，表明其计算的频率值与设计频率之间的误差越小，说明该种群个体设置越合理。通过弯曲圆盘振动的频域方程计算振动激励力的傅里叶变换，根据振动激励力的傅里叶变换以及弯曲圆盘的预设声波频率振动激励力的傅里叶变换，计算第一种群的目标函数值，提高目标函数值的精准性，便于准确判断种群的优劣。

14、进一步地，弯曲圆盘振动的频域方程为：

15、{f(ω)}＝([k]-ω2[m]+jω[c]){x(ω)}，

16、其中，{f(ω)}为振动激励力的傅里叶变换，ω为频率，[k]为阻尼矩阵，[m]为质量，j为虚数，[c]为刚度，{x(ω)}为位移的傅里叶变换；

17、第一种群的目标函数值的计算公式为：

18、其中，f为第一种群的目标函数值，{f(ω)}为振动激励力的傅里叶变换，为预设声波频率振动激励力的傅里叶变换，弯曲圆盘的预设声波频率为82khz。

19、采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过弯曲圆盘振动的频域方程计算振动激励力的傅里叶变换，根据振动激励力的傅里叶变换以及弯曲圆盘的预设声波频率振动激励力的傅里叶变换，计算第一种群的目标函数值，提高目标函数值的精准性，便于准确判断种群的优劣。

20、进一步地，弯曲圆盘的多个台阶尺寸为第一高度、第二高度、第三高度、第一半径、第二半径、第三半径以及第四半径；弯曲圆盘的多个台阶尺寸的基本条件为第一高度大于第二高度、第三高度小于弯曲圆盘的厚度、第一半径小于第二半径、第二半径小于第三半径、第三半径小于第四半径以及第四半径小于弯曲圆盘的半径；第一种群的数量为200；弯曲圆盘的半径为45mm，弯曲圆盘的厚度为2.1mm，振型数为五阶模态，预设迭代次数为50。

21、采用上述进一步技术方案的有益效果是：各个条件的设计，便于圆盘纵深结构换能器的快速设计。种群数量以及迭代次数的设计，提高目标函数值的精准性，便于准确判断种群的优劣。

22、进一步地，步骤s24包括：当完成迭代时，在第一种群中挑选出目标函数值最小的种群作为第二种群，并输出第二种群的个体以及目标函数值。

23、采用上述进一步技术方案的有益效果是：目标函数可以判断种群的优劣，目标函数结果值越小，表明其计算的频率值与设计频率之间的误差越小，说明该种群个体设置越合理。如果完成迭代，则从所有种群中挑选出目标函数值最小的种群，输出该种群的个体以及目标函数值。

24、此外，本发明还提供了一种圆盘纵深结构换能器，通过上述任意一项所述的一种圆盘纵深结构换能器的设计方法设计的圆盘纵深结构换能器包括：纵向振子、弯曲圆盘以及电缆，所述纵向振子包括：前质量块、后质量块以及压电元件，所述压电元件位于所述前质量块和所述后质量块之间，所述前质量块、所述后质量块、所述压电元件以及所述弯曲圆盘同轴设置，所述弯曲圆盘的一端与所述前质量块连接，所述电缆与所述后质量块连接，所述弯曲圆盘的另一端设有多个台阶，多个所述台阶凸出所述弯曲圆盘的另一端端面。

25、采用本发明技术方案的有益效果是：采用纵向振子的形式，把正负电极断开，有纵波在纵向振子中传播时，电场与应力成正比，因此靠近中心节点处的电场最大。当在正负电极上施加简谐电激励时，各片之间的电场趋于一致，必将导致各片之间电荷的重新分布，当单个陶瓷片的厚度远小于波长，应用四端网络的级联理论，可以得到纵向振子作为一个单一压电元件的等效电路。将纵向振子以及弯曲圆盘进行组合振动，产生2个原频声波，两个谐振频率均具有较高的发射电压响应，且它们在共同的声场产生了低频的差频声波，该差频声波具有良好的指向性，满足远距离探测需求。并且，弯曲圆盘使用高阶振型辐射板，具有较高的声辐射效率和较薄的厚度，减小了换能器的尺寸和重量，使换能器更加轻便。在弯曲圆盘设计多个台阶，可以调整声束的方向性，以补偿辐射板上的离散相位差，锐化换能器阵的指向性。根据有限元计算结果，辐射板的高阶振型具有较高的声辐射效率和较薄的厚度。

26、本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。