水聲換能器原理試題及答案

水聲換能器原理試題及答案

中國海洋大學(xué)命題專用紙,首頁，

2006學(xué)年第1學(xué)期試題名稱，水聲換能器原理,A卷，共2頁第1頁

專業(yè)年級，學(xué)號姓名授課教師名分數(shù)

一、1、（10分）簡述什么是矢量水聽器,簡單分類并簡述它的優(yōu)點。

2、（10分）何為水聲換能器（基陣）的方向特性,其改善方法有哪些，

2TEk,S二、1、（9分）詮釋符號的物理含義:Q、T、、、d、Mc31313311

2、（12分）解釋下面方程組的物理含義，寫出它的矩陣形式并給出x,?,,,?42

E,x,sT,dE（n,m,1,2,3）jjiimjm,T,,nm,,dT,E（i,j,1,2,...6）,nniim4,,

3、（5分）給出壓電陶瓷水聲換能器的電路狀態(tài)方程的一般數(shù)學(xué)表達式，并解

釋其物理意義。

4、（5分）比較壓電長條片半波長振子與四分之波長振子的工作特性。三、（9

分）有間距為d的n個點聲源組成的一均勻線列基陣，當工作頻率為（對f

應(yīng)波長為入）時，求:?G（0）二,（自定坐標系和定向平面）

?方向性銳度角@二，

?出現(xiàn)極大值和極小值的條件。

四、（8分）在ox軸上有一等間距（d二0.25人）排列的非均勻振幅分布的復(fù)合聲

學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)各振元振幅之比為1:2:3:4:3:2:1,求:

?在xoy定向平面中的G（a）=?

?當。二五/3時，G（n/3）=?

五、（16分）某聲吶站的水聲換能器是由PZT制成（可逆式），聲信號的輻射面積

,為S,表面振速為，它的機電轉(zhuǎn)換系數(shù)靜態(tài)電容為C,電損耗阻抗

R,,00f

機械損耗阻抗分別為R,換能器的等效柔順性系數(shù)C、等效質(zhì)量為M,當它mmm

PZ,R,j/置于自由場聲壓的海水中，輻射阻抗為，聲場的畸變系數(shù)fSSS

，為，當換能器的開路輸出電壓為U時，

?畫出該換能器處于發(fā)射狀態(tài)時的等效機電圖并寫出機械振動方程；

?求出水介質(zhì)中換能器的諧振頻率、機電效率、電聲效率和Q：M

?以此換能器接收時，畫出其機電等效圖并求出諧振狀態(tài)時的M=?U

命題教師或命題負責(zé)人院系負責(zé)人授課教師簽字簽字年月日

中國海洋大學(xué)命題專用紙,附頁，

2006學(xué)年第1學(xué)期試題名稱，水聲換能器原理（A卷）共2頁第2頁

六、（16分）假設(shè)有一圓管型壓電換能器，其內(nèi)外半徑分別為a、b,高為1,工

作時，兩端暴露，單位面積上受力為P，內(nèi)表面屏蔽（不受力），外表面單位0

g,,g面積上受到的力為P，壓電常數(shù)采用g（）,設(shè)內(nèi)外半徑比為03331

0,我們可以分別得到三種極化狀態(tài)下的開路電壓接收靈敏,，ab/0,,,1

度為：

,1,比b［g,g（2,,）］徑向極化；133311,,

2g31M,l［,g］縱向極化：23321,,

,）,g］切向極化:，其中N為弧形單元的個數(shù)331331N1,,In

9

?試討論三種極化方式下，當b固定不變時，靈敏度隨的變化情況，以為，，橫

坐標，M為縱坐標，分別畫簡圖表示。

?通過?的結(jié)果，分析采用徑向極化時應(yīng)注意哪些問題，

b2,l?在薄壁圓管的近似條件下，且有，三種極化方式下的靈敏度哪個最,N

大，說明理由。

?給出兩端（縱向）極化的壓電長圓棒在相同工作條件下的接收靈敏度。

水聲換能器原理（A卷）參考答案

第一題：

1、同時測量水中聲壓（標量）和同一點介質(zhì)質(zhì)點振速（矢量）的水聽器，叫做矢

量水聽器。

矢量水聽器分為兩類:聲壓梯度型和質(zhì)點振速型。

矢量水聽器的優(yōu)點：1）有良好的抗干擾能力和線譜檢測能力；

2〉能對同一點處聲場進行目標方向、聲壓振速聯(lián)合估計；

3〉抗各向同性噪聲的能力強；

4）可以進行目標方位的多目標識別。

、水聲換能器（基陣）的發(fā)射響應(yīng)或接收響應(yīng)的幅值隨方位角變化的特性叫做

換能器（基陣）2

的方向特性。

改善換能器（基陣）方向特性的方法有：

1〉采用復(fù)合聲學(xué)系統(tǒng)；

2〉發(fā)射器采用振幅不均勻分布的工作面；

3）采用特殊的電路系統(tǒng)；

4）采用特殊方向系統(tǒng).

第二題：

1>1）機械品質(zhì)因數(shù)；

2）居里溫度；

3）短路彈性柔順性系數(shù)；

4〉橫向機電耦合系數(shù)；

5）短路壓電應(yīng)變常數(shù)；

6）自由介電常數(shù)。

,，,XXX,,2、jjj

其中，第一項是壓電材料作為純力學(xué)結(jié)構(gòu)，由于受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生的應(yīng)變；

第二項是壓電材料作為壓電體，由于逆壓電效應(yīng)的存在，由電場強度的變化引

起的應(yīng)變。

>t>>>>?9nnn

其中:第一項是作為壓電體，有壓電效應(yīng)的存在，又應(yīng)力的變化引起的面電荷

密度的變化；

第二項是作為純的介電體，由電場強度的變化引起的面電荷密度的變化。

壓電方程的矩陣形式：

EtxSTdE,,

IT,,,,dTE4,

63ExSTdE,,,,iimm444,,imllT63,m2,,dTE,,,iim224,,,imll

IlljcV,,,,,,,,,（）3、cd0312

其中:第一項為靜態(tài)電流，即壓電陶瓷長條片作為靜態(tài)電容時通過的電流量；

第二項為動態(tài)電流，用來支持壓電體由壓電效應(yīng)引起機械振動所需的電流量。

4、振動方式不同，他們的振動模式都是沿長度方向的駐波，但半波長振子兩端為

波腹，中間為

波節(jié);而四分之波長振子前端是波腹，后端是波節(jié)。

nc諧振頻率表達式不同，半波長振子的諧振頻率為：（）（fn,為奇數(shù)）rn21

nc四分之波長振子的諧振頻率為：()(fn,為奇數(shù))rn41

其中:C為聲波在長條片中的傳播速度，1為振子的長度。

相同尺寸的振子，半波長振子適合在高頻下工作，而四分之波長振子適合低

頻。

第三題：

nd,sin(sin),,1>,G(),d,nsin(sin),,

-12、22sin(),nd

3、極大值條件:dmsin,,,

m極小值條件:dmnsind,2,...1),,,,,n

第四題：

4,dsin(sin),,1、,G(),Id,4sin(sin),,

4,dsin(sin),,,G(),2d,4sin(sin),,

4,d2sin(sin),,,,GGG()()(),,,12d,216sin(sin),,

32sin(),,2G(),2x33216sin(),8

第五題：

?

l,,,,VjMjMRR,,,,,Ok3fMsMsjC,M

112、諧振頻率為：f,r,CMM,2()MMs

2R,0機電效率為：，，100%,m2。，，RRR,Ms02,RRsO電聲效率為：…，

100%,a2e,,,RRRRR,MsMsO

123、，，，，zRRjMMPS,,,,,,[()]MsMsffOjC,M

,,zSO,M,2,,zRR,OMs

第六題：

,,,2徑向極化時，當時，取極小值，