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水声换能器及基阵建模与设计
作者：何正耀
出版社：科学出版社
出版时间：2020-01-01
ISBN：9787030630407
定价：¥110.00
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内容简介
《水声换能器及基阵建模与设计》系统地介绍水声换能器及基阵的建模计算与设计方法。《水声换能器及基阵建模与设计》共11章，主要包括绪论，压电材料的性质，换能器的等效电路分析、有限元建模和边界元建模，换能器及基阵声辐射建模与计算，几种典型水声换能器的建模与设计以及水声换能器共形阵发射波束优化。《水声换能器及基阵建模与设计》融入了作者多年来从事水声换能器及基阵建模计算与设计方面科研工作的实际经验，内容深入浅出，注重理论与实践结合，仿真计算与实验验证结合，系统性与创新性结合。
作者简介
暂缺《水声换能器及基阵建模与设计》作者简介
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究历史及现状 3
1.2.1 水声换能器的建模分析方法 3
1.2.2 水声换能器及基阵的声辐射建模与计算方法 4
1.2.3 几种典型水声换能器的建模与设计 7
1.2.4 水声换能器基阵的互辐射计算及发射波束优化 11
1.3 本书的结构 13
第2章 压电材料的性质 15
2.1 晶体的特征 15
2.2 晶体的铁电性 16
2.3 晶体的压电性 17
2.4 压电晶体的特性 20
2.4.1 压电晶体的力学特性 20
2.4.2 压电晶体的介电性 25
2.4.3 压电效应与压电方程 27
2.5 压电材料的参数 31
2.6 常用压电材料的性质 33
2.7 本章小结 35
第3章 换能器的等效电路分析 36
3.1 换能器机电等效电路模型 36
3.2 换能器全电等效电路及导纳分析 38
3.3 本章小结 45
第4章 换能器的有限元建模 46
4.1 有限元模型基本理论 46
4.1.1 结构力学的有限元方程 46
4.1.2 声学流体问题理论基础 46
4.1.3 声学流体矩阵推导 48
4.1.4 边界阻尼产生的声波吸收 49
4.1.5 声学流固耦合问题 50
4.2 利用ANSYS软件对换能器进行建模分析方法 51
4.3 本章小结 55
第5章 换能器的边界元建模 56
5.1 外部问题边界积分公式 56
5.1.1 格林函数 57
5.1.2 边界积分方程 57
5.1.3 外部亥姆霍兹方程 58
5.1.4 表面亥姆霍兹方程 61
5.1.5 内部亥姆霍兹方程 63
5.2 内部问题边界积分公式 63
5.3 边界元数值计算 64
5.4 奇异积分 69
5.5 解的非唯一性 70
5.6 边界元计算软件SYSNOISE简介 70
5.7 本章小结 71
第6章 换能器及基阵声辐射建模与计算 72
6.1 均匀脉动球源的声辐射 72
6.2 无限大刚性障板平面上圆形活塞的声辐射 73
6.3 表面振速分布不均匀的换能器的辐射阻抗 76
6.4 换能器基阵的互辐射阻抗 76
6.5 换能器基阵辐射阻抗的边界元计算 78
6.6 边界元法计算典型声源的声辐射特性 79
6.6.1 均匀脉动球源声辐射的计算 79
6.6.2 无限大刚性障板平面上圆形活塞的声辐射计算 82
6.6.3 无限大刚性障板平面上两个圆形活塞的互辐射计算 83
6.7 边界元法计算平面换能器阵的声辐射特性 84
6.7.1 无限大刚性障板上平面阵的声辐射计算 84
6.7.2 有限大刚性障板上平面阵的声辐射计算 87
6.8 边界元法计算换能器共形阵的声辐射特性 91
6.8.1 阵形任意的换能器基阵的声辐射计算 91
6.8.2 水声换能器共形阵辐射指向性计算及实验验证 96
6.9 本章小结 101
第7章 凹桶型弯张换能器及基阵 102
7.1 空气中凹桶型弯张换能器三维有限元建模与计算 102
7.1.1 凹桶型弯张换能器有限元模型建立 102
7.1.2 空气中凹桶型弯张换能器的模态分析 103
7.1.3 空气中凹桶型弯张换能器的导纳计算 104
7.2 空气中凹桶型弯张换能器二维轴对称有限元建模计算 105
7.2.1 轴对称有限元模型建立 105
7.2.2 空气中凹桶型弯张换能器模态分析 106
7.2.3 空气中凹桶型弯张换能器导纳计算 107
7.3 水中凹桶型弯张换能器二维轴对称有限元建模计算 109
7.3.1 水中轴对称有限元模型建立 109
7.3.2 水中换能器导纳计算 109
7.3.3 水中凹桶型弯张换能器声辐射计算 110
7.4 凹桶型弯张换能器的边界元计算 112
7.4.1 单个凹桶型弯张换能器的声辐射计算 112
7.4.2 凹桶型弯张换能器基阵的声辐射计算 117
7.5 凹桶型弯张换能器及基阵的等效电路分析 125
7.5.1 凹桶型弯张换能器及基阵电声测量结果 125
7.5.2 单个凹桶型弯张换能器的等效电路模型计算 126
7.5.3 两个凹桶型弯张换能器并联的等效电路模型计算 128
7.5.4 三个凹桶型弯张换能器并联的等效电路模型计算 130
7.5.5 等效电路模型计算凹桶型弯张换能器及基阵的导纳曲线 132
7.6 本章小结 134
第8章 溢流环换能器及基阵 135
8.1 溢流环换能器谐振频率理论计算 135
8.1.1 溢流环换能器谐振频率的计算公式 135
8.1.2 溢流环换能器谐振频率的计算与分析 137
8.2 空气中溢流环换能器的有限元建模与计算 138
8.2.1 换能器轴对称有限元模型建立 138
8.2.2 溢流环换能器空气中模态分析 138
8.3 水中溢流环换能器的有限元建模与计算 140
8.3.1 水中溢流环换能器轴对称有限元模型建立 140
8.3.2 水中溢流环换能器导纳计算 140
8.3.3 水中溢流环换能器声辐射特性计算 142
8.4 水中溢流环换能器的边界元建模与计算 144
8.5 溢流式镶拼圆环换能器结构 149
8.6 溢流式镶拼圆环换能器在空气中的有限元建模计算 150
8.7 溢流式镶拼圆环换能器在水中的有限元建模计算 152
8.7.1 溢流式镶拼圆环换能器水中的三维有限元模型 152
8.7.2 溢流式镶拼圆环换能器水中导纳计算 152
8.7.3 溢流式镶拼圆环换能器水中发射电压响应计算 153
8.8 溢流环换能器基阵的建模计算 154
8.8.1 半波长间距二元溢流环换能器阵声辐射计算 154
8.8.2 半波长间距三元溢流环换能器阵声辐射计算 161
8.8.3 小间距二元溢流环换能器阵声辐射计算 167
8.8.4 小间距三元溢流环换能器阵声辐射计算 171
8.9 本章小结 175
第9章 弯曲圆盘换能器及基阵 176
9.1 弯曲圆盘换能器的有限元建模计算 176
9.1.1 弯曲圆盘换能器有限元模型 176
9.1.2 弯曲圆盘换能器水中的谐波分析 177
9.2 弯曲圆盘换能器密集阵的声辐射特性建模计算 178
9.2.1 弯曲圆盘换能器密集阵 178
9.2.2 四元弯曲圆盘换能器密集阵的有限元模型 179
9.2.3 四元弯曲圆盘换能器密集阵水中声辐射计算 180
9.2.4 八元弯曲圆盘换能器密集阵水中声辐射计算 183
9.3 弯曲圆盘换能器的制作 185
9.4 弯曲圆盘换能器的性能测量 187
9.4.1 弯曲圆盘换能器空气中的导纳测量 187
9.4.2 弯曲圆盘换能器水中的导纳测量 188
9.4.3 弯曲圆盘换能器水中发射电压响应测量 188
9.5 本章小结 189
第10章 纵振液腔谐振耦合发射换能器 190
10.1 纵振液腔谐振耦合发射换能器谐振频率的理论计算 190
10.1.1 纵振液腔谐振耦合发射换能器的结构 190
10.1.2 液腔谐振频率计算 191
10.1.3 纵振谐振频率计算 191
10.2 纵振液腔谐振耦合发射换能器的有限元建模计算 191
10.2.1 纵振液腔谐振耦合发射换能器的有限元模型建立 191
10.2.2 纵振液腔谐振耦合发射换能器性能的有限元仿真及实验验证 192
10.3 纵振液腔谐振耦合发射换能器的指向性优化设计 194
10.4 本章小结 195
第11章 水声换能器共形阵发射波束优化 196
11.1 水声换能器共形阵驱动电压的边界元模型优化加权 196
11.1.1 水声换能器基阵的驱动电压优化计算基本原理 196
11.1.2 仿真计算及实验结果 200
11.2 水声换能器共形阵驱动电压的实测阵列流形优化加权 206
11.2.1 基于实测阵列流形的水声换能器基阵发射波束优化原理 206
11.2.2 仿真计算及实验结果 212
11.3 本章小结 217
参考文献 218
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究历史及现状 3
1.2.1 水声换能器的建模分析方法 3
1.2.2 水声换能器及基阵的声辐射建模与计算方法 4
1.2.3 几种典型水声换能器的建模与设计 7
1.2.4 水声换能器基阵的互辐射计算及发射波束优化 11
1.3 本书的结构 13
第2章 压电材料的性质 15
2.1 晶体的特征 15
2.2 晶体的铁电性 16
2.3 晶体的压电性 17
2.4 压电晶体的特性 20
2.4.1 压电晶体的力学特性 20
2.4.2 压电晶体的介电性 25
2.4.3 压电效应与压电方程 27
2.5 压电材料的参数 31
2.6 常用压电材料的性质 33
2.7 本章小结 35
第3章 换能器的等效电路分析 36
3.1 换能器机电等效电路模型 36
3.2 换能器全电等效电路及导纳分析 38
3.3 本章小结 45
第4章 换能器的有限元建模 46
4.1 有限元模型基本理论 46
4.1.1 结构力学的有限元方程 46
4.1.2 声学流体问题理论基础 46
4.1.3 声学流体矩阵推导 48
4.1.4 边界阻尼产生的声波吸收 49
4.1.5 声学流固耦合问题 50
4.2 利用ANSYS软件对换能器进行建模分析方法 51
4.3 本章小结 55
第5章 换能器的边界元建模 56
5.1 外部问题边界积分公式 56
5.1.1 格林函数 57
5.1.2 边界积分方程 57
5.1.3 外部亥姆霍兹方程 58
5.1.4 表面亥姆霍兹方程 61
5.1.5 内部亥姆霍兹方程 63
5.2 内部问题边界积分公式 63
5.3 边界元数值计算 64
5.4 奇异积分 69
5.5 解的非唯一性 70
5.6 边界元计算软件SYSNOISE简介 70
5.7 本章小结 71
第6章 换能器及基阵声辐射建模与计算 72
6.1 均匀脉动球源的声辐射 72
6.2 无限大刚性障板平面上圆形活塞的声辐射 73
6.3 表面振速分布不均匀的换能器的辐射阻抗 76
6.4 换能器基阵的互辐射阻抗 76
6.5 换能器基阵辐射阻抗的边界元计算 78
6.6 边界元法计算典型声源的声辐射特性 79
6.6.1 均匀脉动球源声辐射的计算 79
6.6.2 无限大刚性障板平面上圆形活塞的声辐射计算 82
6.6.3 无限大刚性障板平面上两个圆形活塞的互辐射计算 83
6.7 边界元法计算平面换能器阵的声辐射特性 84
6.7.1 无限大刚性障板上平面阵的声辐射计算 84
6.7.2 有限大刚性障板上平面阵的声辐射计算 87
6.8 边界元法计算换能器共形阵的声辐射特性 91
6.8.1 阵形任意的换能器基阵的声辐射计算 91
6.8.2 水声换能器共形阵辐射指向性计算及实验验证 96
6.9 本章小结 101
第7章 凹桶型弯张换能器及基阵 102
7.1 空气中凹桶型弯张换能器三维有限元建模与计算 102
7.1.1 凹桶型弯张换能器有限元模型建立 102
7.1.2 空气中凹桶型弯张换能器的模态分析 103
7.1.3 空气中凹桶型弯张换能器的导纳计算 104
7.2 空气中凹桶型弯张换能器二维轴对称有限元建模计算 105
7.2.1 轴对称有限元模型建立 105
7.2.2 空气中凹桶型弯张换能器模态分析 106
7.2.3 空气中凹桶型弯张换能器导纳计算 107
7.3 水中凹桶型弯张换能器二维轴对称有限元建模计算 109
7.3.1 水中轴对称有限元模型建立 109
7.3.2 水中换能器导纳计算 109
7.3.3 水中凹桶型弯张换能器声辐射计算 110
7.4 凹桶型弯张换能器的边界元计算 112
7.4.1 单个凹桶型弯张换能器的声辐射计算 112
7.4.2 凹桶型弯张换能器基阵的声辐射计算 117
7.5 凹桶型弯张换能器及基阵的等效电路分析 125
7.5.1 凹桶型弯张换能器及基阵电声测量结果 125
7.5.2 单个凹桶型弯张换能器的等效电路模型计算 126
7.5.3 两个凹桶型弯张换能器并联的等效电路模型计算 128
7.5.4 三个凹桶型弯张换能器并联的等效电路模型计算 130
7.5.5 等效电路模型计算凹桶型弯张换能器及基阵的导纳曲线 132
7.6 本章小结 134
第8章 溢流环换能器及基阵 135
8.1 溢流环换能器谐振频率理论计算 135
8.1.1 溢流环换能器谐振频率的计算公式 135
8.1.2 溢流环换能器谐振频率的计算与分析 137
8.2 空气中溢流环换能器的有限元建模与计算 138
8.2.1 换能器轴对称有限元模型建立 138
8.2.2 溢流环换能器空气中模态分析 138
8.3 水中溢流环换能器的有限元建模与计算 140
8.3.1 水中溢流环换能器轴对称有限元模型建立 140
8.3.2 水中溢流环换能器导纳计算 140
8.3.3 水中溢流环换能器声辐射特性计算 142
8.4 水中溢流环换能器的边界元建模与计算 144
8.5 溢流式镶拼圆环换能器结构 149
8.6 溢流式镶拼圆环换能器在空气中的有限元建模计算 150
8.7 溢流式镶拼圆环换能器在水中的有限元建模计算 152
8.7.1 溢流式镶拼圆环换能器水中的三维有限元模型 152
8.7.2 溢流式镶拼圆环换能器水中导纳计算 152
8.7.3 溢流式镶拼圆环换能器水中发射电压响应计算 153
8.8 溢流环换能器基阵的建模计算 154
8.8.1 半波长间距二元溢流环换能器阵声辐射计算 154
8.8.2 半波长间距三元溢流环换能器阵声辐射计算 161
8.8.3 小间距二元溢流环换能器阵声辐射计算 167
8.8.4 小间距三元溢流环换能器阵声辐射计算 171
8.9 本章小结 175
第9章 弯曲圆盘换能器及基阵 176
9.1 弯曲圆盘换能器的有限元建模计算 176
9.1.1 弯曲圆盘换能器有限元模型 176
9.1.2 弯曲圆盘换能器水中的谐波分析 177
9.2 弯曲圆盘换能器密集阵的声辐射特性建模计算 178
9.2.1 弯曲圆盘换能器密集阵 178
9.2.2 四元弯曲圆盘换能器密集阵的有限元模型 179
9.2.3 四元弯曲圆盘换能器密集阵水中声辐射计算 180
9.2.4 八元弯曲圆盘换能器密集阵水中声辐射计算 183
9.3 弯曲圆盘换能器的制作 185
9.4 弯曲圆盘换能器的性能测量 187
9.4.1 弯曲圆盘换能器空气中的导纳测量 187
9.4.2 弯曲圆盘换能器水中的导纳测量 188
9.4.3 弯曲圆盘换能器水中发射电压响应测量 188
9.5 本章小结 189
第10章 纵振液腔谐振耦合发射换能器 190
10.1 纵振液腔谐振耦合发射换能器谐振频率的理论计算 190
10.1.1 纵振液腔谐振耦合发射换能器的结构 190
10.1.2 液腔谐振频率计算 191
10.1.3 纵振谐振频率计算 191
10.2 纵振液腔谐振耦合发射换能器的有限元建模计算 191
10.2.1 纵振液腔谐振耦合发射换能器的有限元模型建立 191
10.2.2 纵振液腔谐振耦合发射换能器性能的有限元仿真及实验验证 192
10.3 纵振液腔谐振耦合发射换能器的指向性优化设计 194
10.4 本章小结 195
第11章 水声换能器共形阵发射波束优化 196
11.1 水声换能器共形阵驱动电压的边界元模型优化加权 196
11.1.1 水声换能器基阵的驱动电压优化计算基本原理 196
11.1.2 仿真计算及实验结果 200
11.2 水声换能器共形阵驱动电压的实测阵列流形优化加权 206
11.2.1 基于实测阵列流形的水声换能器基阵发射波束优化原理 206
11.2.2 仿真计算及实验结果 212
11.3 本章小结 217
参考文献 218
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