
兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 1472-1481.doi: 10.12382/bgxb.2022.0899
收稿日期:2022-10-07
上线日期:2023-02-10
通讯作者:
WANG Wenjie*(
), YANG Long, ZHAO Xu
Received:2022-10-07
Online:2023-02-10
摘要:
水下航行器的传统涂覆层主要依赖于材料更新及结构优化,难以应对低频主动声波探测。基于超磁致伸缩材料设计一款轻质、薄型、耐高压的低频宽带水声发射单元,着重分析核心部件的设计优化过程,并由PSV-400激光测振仪验证有限元仿真结果。对辐射面板固定方式的模态进行分析,确定主动发射单元的最优边界约束条件。与原始构型的发射单元性能进行对比发现:在水声发射保持良好指向性的前提下,基于有限元分析2000Hz以下的最高共振频率降低超过10%;基于声振耦合分析主动发射单元在低频范围内辐射声源级最大为147.48dB,提高4.65%;发射单元声源级高于100dB的频率带宽超过1500Hz,且声功率级更高。该发射单元可为后期阵列式应用于大尺度声学覆盖层提供技术支持,具有一定的学术研究价值与广阔的工程应用前景。
中图分类号:
王文杰, 杨龙, 赵旭. 回波主动抑制的次级水声发射单元设计与优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1472-1481.
WANG Wenjie, YANG Long, ZHAO Xu. Design and Optimization of Secondary Underwater Acoustic Emission Unit for Active Echo Suppression[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(5): 1472-1481.
图1 超磁致伸缩发射单元结构图(上为三维结构图,下为剖视图)
Fig.1 Structure diagram of giant magnetostrictive emission unit (upper: three-dimensional structure diagram, below: section view)
| 结构 | 尺寸/mm |
|---|---|
| 辐射面板 | ϕ170×4 |
| GMM棒 | ϕ6×15 |
| 永磁体 | ϕ6×7 |
| 配重质量块 | ϕ18×18.5 |
| 励磁线圈 | 外径ϕ15,内径ϕ6,长37 |
| 外形壳体 | 截面边长31.5,高72.5 |
表1 结构尺寸参数
Table 1 Structural dimension parameters
| 结构 | 尺寸/mm |
|---|---|
| 辐射面板 | ϕ170×4 |
| GMM棒 | ϕ6×15 |
| 永磁体 | ϕ6×7 |
| 配重质量块 | ϕ18×18.5 |
| 励磁线圈 | 外径ϕ15,内径ϕ6,长37 |
| 外形壳体 | 截面边长31.5,高72.5 |
| 网格尺寸 d/mm | 频率/Hz | |||
|---|---|---|---|---|
| 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
| 1.0 | 292.51 | 761.73 | 1259.3 | 2803.5 |
| 1.5 | 292.92 | 761.94 | 1260.1 | 2803.9 |
| 2.0 | 297.01 | 762.43 | 1261.3 | 2804.6 |
| 2.5 | 299.14 | 762.55 | 1261.8 | 2805.5 |
| 3.0 | 301.82 | 763.34 | 1264.5 | 2807.5 |
表2 网格有效性验证
Table 2 Grid validity verification
| 网格尺寸 d/mm | 频率/Hz | |||
|---|---|---|---|---|
| 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
| 1.0 | 292.51 | 761.73 | 1259.3 | 2803.5 |
| 1.5 | 292.92 | 761.94 | 1260.1 | 2803.9 |
| 2.0 | 297.01 | 762.43 | 1261.3 | 2804.6 |
| 2.5 | 299.14 | 762.55 | 1261.8 | 2805.5 |
| 3.0 | 301.82 | 763.34 | 1264.5 | 2807.5 |
| 材料 | 弹性模量E/GPa | 密度ρ/(kg·m-3) | 泊松比μ |
|---|---|---|---|
| 45号钢 | 209 | 7890 | 0.269 |
| GMM | 23 | 9250 | 0.210 |
| 铁 | 194 | 7930 | 0.280 |
| 铜 | 90 | 8500 | 0.300 |
| 磁铁 | 113 | 3800 | 0.230 |
表3 材料参数
Table 3 Material parameters
| 材料 | 弹性模量E/GPa | 密度ρ/(kg·m-3) | 泊松比μ |
|---|---|---|---|
| 45号钢 | 209 | 7890 | 0.269 |
| GMM | 23 | 9250 | 0.210 |
| 铁 | 194 | 7930 | 0.280 |
| 铜 | 90 | 8500 | 0.300 |
| 磁铁 | 113 | 3800 | 0.230 |
| 结构 | 材料 | 结构 | 材料 |
|---|---|---|---|
| 配重质量块 | 45号钢 | GMM棒 | GMM |
| 驱动元件 | 铁 | 励磁线圈 | 铜 |
| 辐射面板 | 45号钢 | 作动元件 | 45号钢 |
| 永磁体 | 磁铁 | 后端盖 | 铁 |
表4 结构材料
Table 4 Structural materials
| 结构 | 材料 | 结构 | 材料 |
|---|---|---|---|
| 配重质量块 | 45号钢 | GMM棒 | GMM |
| 驱动元件 | 铁 | 励磁线圈 | 铜 |
| 辐射面板 | 45号钢 | 作动元件 | 45号钢 |
| 永磁体 | 磁铁 | 后端盖 | 铁 |
| 阶数 | 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | 5阶 | 6阶 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 频率/Hz | 805.19 | 810.67 | 915.85 | 1418.62 | 2319.99 | 2370.49 |
表5 原始构型共振频率
Table 5 Resonance frequency of original configuration
| 阶数 | 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | 5阶 | 6阶 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 频率/Hz | 805.19 | 810.67 | 915.85 | 1418.62 | 2319.99 | 2370.49 |
| 开孔情况 | 频率/Hz | |||
|---|---|---|---|---|
| 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
| 不开孔圆盘 | 294.07 | 762.42 | 1261.25 | 2804.63 |
| 开三孔圆盘 | 294.34 | 762.71 | 1261.69 | 2805.59 |
| 开四孔圆盘 | 294.47 | 764.13 | 1261.99 | 2806.19 |
表6 仿真共振频率对比
Table 6 Comparison of simulation resonance frequencies
| 开孔情况 | 频率/Hz | |||
|---|---|---|---|---|
| 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
| 不开孔圆盘 | 294.07 | 762.42 | 1261.25 | 2804.63 |
| 开三孔圆盘 | 294.34 | 762.71 | 1261.69 | 2805.59 |
| 开四孔圆盘 | 294.47 | 764.13 | 1261.99 | 2806.19 |
| [1] |
刘征宇, 车易泽, 刘伟. 国外潜艇用声呐发展综述[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2018(4):11-14.
|
|
|
|
| [2] |
|
| [3] |
|
| [4] |
|
| [5] |
雷云中, 王轲, 吴九汇. 低频大宽带超结构水声发射换能器研制[J]. 振动与冲击, 2022, 41(7):167-173.
|
|
|
|
| [6] |
|
| [7] |
王婷, 李飞, 杜红亮, 等. 面向水声换能器的压电单晶复合材料设计研究[J]. 人工晶体学报, 2020, 49(6):997-1003.
|
|
|
|
| [8] |
|
| [9] |
|
| [10] |
|
| [11] |
韩笑, 郭龙祥, 殷敬伟, 等. 基于分频带传输的单载波水声通信技术研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(9):1677-1683.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.018 |
|
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.018 |
|
| [12] |
|
| [13] |
|
| [14] |
|
| [15] |
李鹏阳, 刘强, 李伟, 等. 超磁致伸缩超声换能器结构研究[J]. 振动与冲击, 2021, 40(11):196-201.
|
|
|
|
| [16] |
李鹏阳, 刘强, 周玲霞. 超磁致伸缩超声换能器设计分析[J]. 应用基础与工程科学学报, 2017, 25(5):1065-1075.
|
|
|
|
| [17] |
|
| [18] |
|
| [19] |
李文, 张文全, 张德远. 换能器电学性能与振动切削力关系及监测方法[J]. 兵工学报, 2011, 32(2):199-203.
|
|
|
|
| [20] |
许延峰. 超磁致伸缩材料驱动低频宽带弯张换能器研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2020.
|
|
|
|
| [21] |
|
| [22] |
闫洪波, 高鸿, 牛禹, 等. 超磁致伸缩驱动器磁路设计与仿真[J]. 机械设计与制造, 2022(2):242-246,251.
|
|
|
|
| [23] |
|
| [24] |
吴光未. 自由端盖凹型弯张换能器的宽带设计[D]. 北京: 中国科学院大学, 2021.
|
|
|
|
| [25] |
赵志伟. 低频宽带弯曲圆盘换能器[D]. 北京: 中国科学院大学, 2021.
|
|
|
|
| [26] |
杨荣耀. 长轴加长型稀土弯张换能器研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2016.
|
|
|
|
| [27] |
童晖. 宽带稀土纵振式换能器研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2010.
|
|
|
|
| [28] |
桑永杰, 蓝宇. Janus-Helmholtz水声换能器理论问题研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(7):906-910.
|
|
|
|
| [29] |
姚纪元, 王建, 程启航. 一种极低频弯曲圆盘换能器设计[C]//2022年中国西部声学学术交流会论文集. 乌鲁木齐: 声学技术, 2022:163-165.
|
|
|
| [1] | 柯慧程, 彭子龙, 周富霖, 陈添宝. 船用螺旋桨静态声散射预报方法及特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1523-1533. |
| [2] | 李崟浩, 彭子龙, 宋昊, 彭绍康, 唐宇航. 壳厚非协同缩比模型水下声散射相似性分析及修正方法[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0. |
| [3] | 杨家铭, 潘悦, 王强, 曹怀刚, 高荪培. 水下弱目标跟踪的深度学习方法研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 385-394. |
| [4] | 周健, 宋雪晶, 刘福臣, 张伟. 深海环境下利用噪声抵消器和经验模态分解的拖船干扰抑制方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 443-453. |
| [5] | 杨龙, 王文杰, 李濠君, 向粤, 赵旭. 主动回波控制的阵列布局设计与优化[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0. |
| [6] | 刘妍, 彭子龙, 杜佳曼, 孔慧敏, 范军. 水下超表面角反射体声散射调控机理研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 3146-3155. |
| [7] | 薛亚强, 彭子龙, 俞强, 张春雨, 周富霖, 刘进伟. 基于Kirchhoff近似与曲面三角形网格的水下目标声散射特性分析[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2424-2431. |
| [8] | 李研赫, 邹男, 张丽敏, 刘冰, 修贤, 吴宗铮, 傅可一. 多目标击水声特征关联方法研究[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0. |
| [9] | 张圣海, 徐剑秋, 黎胜, . 水下圆柱壳声辐射激发水表面声波研究[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0. |
| [10] | 罗祎, 张景卓, 褚子超, 吴浩然. 水下多格弹性角反射体声反射特性及强度增强方法[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0. |
| [11] | 刘进伟, 彭子龙, 范军, 刘妍, 孔慧敏. 水下航行体分片参数化多亮点声散射预报方法研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 517-525. |
| [12] | 石树正, 耿文平, 刘勇, 毕开西, 李芬, 丑修建. d31模式四悬臂梁压电MEMS加速度计[J]. 兵工学报, 2022, 43(8): 1998-2006. |
| [13] | 薛城, 顾怡鸣, 宫在晓, 李整林. 参数化时频分析在连续波有源探测中的应用[J]. 兵工学报, 2022, 43(7): 1655-1666. |
| [14] | 薛灵芝, 曾向阳, 杨爽. 基于生成对抗网络的水声目标识别算法[J]. 兵工学报, 2021, 42(11): 2444-2452. |
| [15] | 陈新华, 郑恩明, 李嶷, 杨鹤, 周权斌. 复域压缩感知近场声图测量方法[J]. 兵工学报, 2021, 42(8): 1735-1743. |
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