(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210626568.9 (22)申请日 2022.06.03 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 何正耀　高竞上　董幽幽　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 王鲜凯 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种基于有限元建模的球形换能器宽带匹 配设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于有限元建模的球形换 能器宽带匹配 设计方法， 利用有限元模型结合换 能器的全电等效电路， 计算得到球形换能器的全 电等效电路参数， 然后根据宽带匹配理论， 完成 换能器宽 带匹配设计， 有效改善换能器的宽带发 射性能。 最后设计制作一种球形换能器及其宽带 匹配网络， 实验验证本方法设计的宽带匹配网络 可以有效提高球形换能器的发射带宽， 并且在工 作频段范围内具有较高的发射电压响应。 本发明 可以在只通过建模仿真计算的情况下， 利用有限 元方法得到球形换能器的全电等效电路参数， 并 根据全电等效电路模型完成换能器的宽带匹配 设计。 可以有效拓宽球形换能器的发射带宽， 提 高球形换能器的宽带发射 性能。 权利要求书2页 说明书7页 附图7页 CN 115203999 A 2022.10.18 CN 115203999 A 1.一种基于有限元建模的球形 换能器宽带匹配设计方法， 其特 征在于步骤如下： 步骤1： 通过有限元方法建立球形换能器水中二分之一的二维轴 对称有限元模型； 对球 形换能器模型 的压电陶瓷球壳上施加载荷即激励电压， 提取换能器电极节点上 的电荷， 数 值计算获得 换能器的导纳特性： G＝Re[Y] B＝Im[Y] 式中， Y为导纳， ω为角频率， Q为电极处的电荷， V为施加在换 能器电极上的载荷,G为电 导， B为电纳； 提取换能器在水中辐射的声压， 值计算获得发射电压响应： 式中， pa为距换能器等效声中心为离处的声压， ra为距等效声中心的距离， V为施加在换 能器电极上的载荷； 改变换能器尺寸， 仿真不同半径和球壳厚度下球形换能器的导纳特性和发射电压响 应， 重复步骤1， 通过通过数值计算获得换能器的导纳特性和发射电压响应， 寻找宽带发射 性能最良好的换能器尺寸 参数； 步骤2： 根据步骤1得到的换能器的导纳特性， 以及球形换能器全电等效电路模型， 求解 球形换能器的静态电容C0、 动态电阻Rd、 动态电感Ld以及动态电容Cd： 所述球形换 能器全电等效电路模型为： 动态电阻Rd、 动态电容Cd与态电感Ld依次串联后 与静态电容C0并联， 则动态 支路导纳为： 在谐振点匹配法的串联电感Ls匹配网络的基础上， 并联电容CP和串联电容Cs， 得到匹配 后的球形 换能全电等效电路模型， 则： 系统的总电抗Xe为： 当系统谐振时， 系统的阻抗 为： 式中， C′＝C0+Cp， ωs为换能器谐振角频率,当回路中的串联电感 时， 有功电阻 步骤3： 在电学仿真软件OrCAD中建立基于宽带匹配网络的球形换能器全电等效电路模权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115203999 A 2型， 对串联电感Ls、 串联电容Cs和并联电容Cp的值进行优化， 构造两个阻抗模值相近的谐振 峰， 得到优化设计的换能器尺寸。 2.一种权利要求1所述基于有限元建模的球形换能器的制作 方法， 其特征在于： 将两个 半球壳内外表面均敷有电极， 引出内部电极的导线， 在沿着球壳直径的方向设置一个小凹 槽， 在导线引出后， 用高强度环氧树脂在出线处进行密封处理， 将球形换能器放入灌封模 具， 进行灌封处 理， 完成球形 换能器的制作。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115203999 A 3