经略海洋,挺进深蓝,装备先行。随着我国对海洋探索的不断深入,水声装备的发展也进入了新阶段,而作为水下探测设备的“眼睛”——水声换能器更是海洋环境科学研究、民用航海事业以及军事方面不可或缺的一部分。宽带水声换能器能够在较宽的频率范围内具有更平坦的频率响应,采用脉冲压缩等现代信息处理时保证信号不发生波形畸变、降低误码率、提高可靠性,同时亦有较高的时域分辨率和对外界负载变化较强的适应性,使其得以广泛应用。本文所研究内容的创新点在于利用多模态耦合原理,提出一种在传统纵振换能器前盖板上开一横向矩形通孔的结构来激励出更多有效工作模态,并通过优化通孔的位置和几何尺寸来调节各谐振峰的相对位置和高度,避免产生过深的凹谷从而达到拓宽工作频带的目的。此结构优点在于能明显拓宽频带的同时保留了前盖板辐射端面的平整性。由于开孔型换能器其本身仍是夹心式换能器,所以同样具备效率高、性能稳定、功率容量大等诸特点。另外,计算和测试结果表明,溢流通孔也并未产生反向振动、指向性呈8字形等问题。论文的贡献及研究成果如下:首先,对水声换能器选题背景以及研究意义进行了简要概述。接着围绕着提升换能器宽带性能这个指标要求,国内外学者展开了大量的研究。拓宽带宽的方法有很多,这些方法又各有其特点。然后简单阐述了换能器的几种研究方法。使用经典的等效电路法推导出复合棒型纵振换能器各部分的机电等效电路图,在此基础上给出了设计换能器的频率方程。然后根据实际用途和使用环境给出了衡量换能器的几个的重要性能指标。使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立同尺寸实心换能器和开孔型换能器的有限元模型,并进行了频域研究和特征频率研究。计算了两种换能器在空气中的导纳曲线,以及空气中的振动模态。然后计算了两种换能器在水中的发射电压响应与指向性。最后以宽频带为目标,改变通孔的长度、宽度和孔前端离前盖板端面的距离这三个变量,计算分析了各变量对谐振频率及带宽的影响。由计算结果可知:孔的长度对第二个谐振频率影响较大且随着长度的变大谐振频率先增大后减小,而对应的发射电压响应值基本不变。孔的宽度对第一个谐振频率值及所对应的发射电压响应值影响都很大,且两者均随着宽度增加而减小。孔前端离盖板端面的距离对后两个谐振频率值影响都很大,两处谐振频率均随着距离增大而增大。计算了换能器在与通孔垂直及水平的平面内的指向性图,结果表明随着频率的增大,主瓣逐渐变窄,旁瓣变大,换能器的后向辐射变明显。最后根据有限元软件优化计算后的最佳开孔尺寸加工研制了开孔型宽带换能器。阻抗分析仪测量了换能器在空气中的阻抗曲线,激光测振仪测量了换能器在三个谐振频率处辐射端面的振动位移,与仿真计算结果相比,辐射端面处的位移分布基本一致。在消声水槽中测试了换能器的发射电压响应和二维指向性图,结果表明:未开孔实心换能器-3dB带宽为3kHz,谐振频率在21.5kHz处有最大发射电压响应,其值为146 dB;开孔型换能器-3dB带宽达10.5kHz,覆盖22kHz～32.5kHz频率范围,30.25kHz谐振峰处有最大发射电压响应,其值为141dB。理论计算与实验测试结果吻合较好。文中,对两者的误差进行了分析。