【技术实现步骤摘要】
：本专利技术属于换能器设计，具体涉及一种利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法。
技术介绍
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技术介绍
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1、声在传播过程中，经过不同介质的交界层面时，会产生透射以及反射，反射会消耗一定得声能。而宽带换能器从压电陶瓷振动产生声波到进入水介质进行传播的过程中，会透过若干不同的介质层，如粘接层、匹配层、水密层等，会产生一定的声能损失，不同的介质材料会有大不一样的影响，所以分析如何设置中间的介质层以提高声波的透射率以及其他技术参数是一个重要问题。在选择合适的材料做匹配层时，需要重点考虑的有两点，一是材料的声阻抗值，二是材料的厚度，这对声波的传播起到了关键的过渡作用。传统的匹配层声阻抗选择多基于经验公式计算中心频率下换能器等效电路的声透射系数，如chebyshev公式表述如下：
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3、其中，a代表一共有几层媒质(包括压电材料和水介质)，b代表第几层媒质，za，b代表的是b层媒质中的第a层媒质的声特性阻抗。
4、而理论上匹配层理想厚度均为1/4层中声波波长的整倍数，计算时使用的频率点一般取工作频段的中心频率值。
5、传统的设计步骤就是使用公式(1)进行材料的声阻抗选定，再根据该声阻抗值寻找对应的材料，接着使用1/4层中波长的理论确定材料厚度，再根据该结果进行仿真优化，进一步调整，最终计算材料的声波投射率来确定方案可行性。
6、但是使用理论公式存在两个问题，一是实际生活中可能并不存在具备如此理想的声阻抗值的材料，计算得到理想声阻抗值后，寻找声阻抗接近的材料
技术实现思路
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技术实现思路
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1、本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，该方法使得参数选择可以更加省时，并通过限制工作频段范围，约束参数选择条件，使得筛选出的参数更合理，接近于实际应用情况。
2、本专利技术的技术解决方案是，提供一种利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法,包括以下步骤，
3、步骤1，建立常用匹配层材料的声学性质数据库；
4、步骤2，将三层匹配层换能器模型的工作带宽作为优化目标，利用多参数多目标优化算法计算获得最大工作带宽时的相应匹配层材料密度、材料声速以及对应的匹配层材料厚度；
5、步骤3，利用等效电路法计算该材料参数组合换能器的导纳曲线、发射电压响应曲线以及接收灵敏度曲线，实现匹配层参数优化；
6、步骤4，根据优化的匹配层参数从声学性质数据库中选择匹配层材料。
7、本专利技术建立了部分常用匹配层材料的声学性质数据库，对于确定陶瓷间距与陶瓷大小的复合压电材料，将三层匹配层换能器模型的工作带宽作为优化目标，利用粒子群算法计算可获得最大工作带宽时的相应匹配层材料密度、材料声速以及对应的材料厚度，利用等效电路法计算该材料参数组合下换能器的导纳曲线、发射电压响应曲线以及接收灵敏度曲线，较高效地实现了匹配层参数优化，并通过有限元方法仿真以及实物制作验证，证实了该设计方法的有效性。
8、等效电路法计算可采用现有技术的操作，常规的匹配层材料的声阻抗选择计算公式基于经验公式计算中心频率下换能器等效电路的声透射系数，如chebyshev,desilets和souquet理论公式。
9、数据库可以根据实际工程或研究可使用的材料进行编排，避免计算得到不存在或难以获得、使用的材料。
10、发射换能器的性能指标有很多，如发射电压响应、导纳、指向性、声源级等，一般对于发射换能器来说，其中最重要的就是发射电压响应曲线。设计时，在要求的工作频段内，需要使得发射电压响应尽量平稳，响应的起伏变化小，故在设置优化目标时，为了在整体上取得较好的优化效果，本专利技术直接选取带宽作为首要优化目标确定适应度函数，适应度值的大小取决于换能器模型的工作带宽值，计算最大发射电压响应-6db的工作带宽，适应度值越大，说明工作带宽越大，且响应起伏越小。
11、以三层匹配层的平面纵振型换能器为例，建立好换能器的纵振模型后，有6个未知参数(3个不同匹配层的声阻抗值以及厚度)需要通过使用本方法计算得到。在已经建立材料数据库中，记录了已使用的所有材料的声阻抗值(为声速与密度的乘积)、声速以及密度，计算过程中，本方法可通过提前设置好的限定规则，对材料的声阻抗值进行排列组合，再对每种组合中材料的厚度进行范围内的搜索，寻找可以使得换能器模型的发射电压响应曲线所体现的工作带宽值最大的材料组合及其材料厚度，也就是6个待求参数。得到6个待求参数后，就可以得到相应的换能器模型性能曲线。
12、作为优选，步骤3完成后，进一步通过有限元方法仿真以及实物制作验证确定匹配层参数优化。
13、作为优选，步骤2中，多参数多目标优化算法为粒子群算法，匹配层的设计过程中的参数设置与粒子群算法具有较高的吻合性：在设计过程中，固定除匹配层以外的换能器参数模型，匹配层的参数可分为声阻抗值和厚度两种，而算法中的一个小单元对应携带两个待求信息，即声阻抗值和厚度，使用粒子群算法计算时，任取其中的三个小单元进行组合，携带6个参数的该单元视为一个粒子，当若干粒子分布在受限的参数空间中，将所有粒子参数分别带入换能器模型，通过一系列计算并比较即可求得目前若干粒子中，获得最佳换能器性能曲线的粒子；再将其余粒子中小单元的组合进行优化，优化方向朝向上一次计算中获得的最佳换能器性能曲线的粒子。其中所谓的“优化”就是根据设定量，更改小单元参数，即模拟匹配层研制过程中的“使用声阻抗更高/低一些的材料”或“改变材料中某一成分的比例以改变材料声阻抗”及“增加或减小厚度”这些操作。
14、匹配层的选取理论上可将材料随意组合进行匹配，但是根据声透射理论，第一匹配层的声阻抗应大于第二匹配层的声阻抗大于第三匹配层的声阻抗，形成声阻抗阶梯下降趋势，才能较好地透射声波，故在选择时，首先对三层匹配层的声阻抗进行判断，仅分析声阻抗降序排列组合，且为了提高效率及接近工程实际，再将第三层匹配层声阻抗限制为小于10mral(因水的声阻抗为1.5mral，而第三层匹配层应接近于水介质的声阻抗值)。
15、理论上，要达到最佳声透射条件，匹配层厚度应该为匹配层中声波波长的1/4的整数倍，而在实际设计过程中，1/4层中波长的整数倍不一定能达到最佳匹配效果，但仍可以起到一定的指示作用，故在选定厚度参数前，应首先根据各个匹配层材料的声速，计本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法,其特征在于：包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：步骤3完成后，进一步通过有限元方法仿真以及实物制作验证确定匹配层参数优化。
3.根据权利要求1所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：步骤2中，多参数多目标优化算法为粒子群算法，基于匹配层的参数分为声阻抗值和厚度两种，而算法中的一个小单元对应携带两个待求信息，即声阻抗值和厚度，使用粒子群算法计算时，任取其中的三个小单元进行组合，携带6个参数的该单元视为一个粒子，当若干粒子分布在受限的参数空间中，将所有粒子参数分别带入换能器模型，通过计算并比较即可求得目前若干粒子中，获得最佳换能器性能曲线的粒子；再将其余粒子中小单元的组合进行优化，优化方向朝向上一次计算中获得的最佳换能器性能曲线的粒子。
4.根据权利要求3所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：步骤4的匹配层材料选择原则如下，首先对三层匹配层的声阻抗进行判断，仅分析声阻抗降序排列
5.根据权利要求4所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：选定厚度参数前，首先根据各个匹配层材料的声速，计算最小的1/4层中波长尺寸，根据实际可操作厚度精度，将其的1/3作为搜索下限，将最大的1/4层中波长尺寸的3倍作为搜索上限。
6.根据权利要求5所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：厚度参数选择时使用连续线性变化函数插值搜索，根据实际可操作的厚度精度作为插值间隙。
7.根据权利要求6所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：声阻抗的参数选择如下，将压电陶瓷的声阻抗值作为搜索上限，将水介质的声阻抗作为搜索下限。
8.根据权利要求3所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：进行匹配层材料选择时，基于不同匹配层材料的可靠度、可操作性以及获取、加工的难易程度对各个匹配层材料设置权重。
...【技术特征摘要】
1.一种利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法,其特征在于：包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：步骤3完成后，进一步通过有限元方法仿真以及实物制作验证确定匹配层参数优化。
3.根据权利要求1所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：步骤2中，多参数多目标优化算法为粒子群算法，基于匹配层的参数分为声阻抗值和厚度两种，而算法中的一个小单元对应携带两个待求信息，即声阻抗值和厚度，使用粒子群算法计算时，任取其中的三个小单元进行组合，携带6个参数的该单元视为一个粒子，当若干粒子分布在受限的参数空间中，将所有粒子参数分别带入换能器模型，通过计算并比较即可求得目前若干粒子中，获得最佳换能器性能曲线的粒子；再将其余粒子中小单元的组合进行优化，优化方向朝向上一次计算中获得的最佳换能器性能曲线的粒子。
4.根据权利要求3所述的利用智能算法拓宽换能器工作频段的匹配层设计方法，其特征在于：步骤4的匹配层材料选择原则如下，首先...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏榕健，仲林建，夏铁坚，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：
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