【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下超磁致伸缩电声换能器领域，特别是涉及一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法。
技术介绍
1、超磁致伸缩电声换能器是海洋探测和水下通讯系统的核心装备，其驱动振子的超磁致伸缩棒材会在磁场的激励下产生磁致伸缩应变，并推动质量块在水下振动发声。目前，对于电声换能器的研究大多基于频域下的线性机械阻抗模型，未能反映换能器的时域响应特性。受到动态损耗和材料磁-机特性的影响，超磁致伸缩材料的动态磁化过程存在大量非线性，容易造成换能器辐射的声波发生畸变，故需要研究超磁致伸缩换能器的瞬态电-磁-机-声耦合特性。目前描述超磁致伸缩材料磁化的主要有本构模型、jiles-atherton(简称j-a)模型和preisach模型，其中j-a模型的公式有明确的物理含义，且能够描述动态下的磁滞环，因此被广泛应用于磁性材料装置的建模。为描述超磁致伸缩材料的磁-机耦合特性，一些学者提出材料磁致伸缩应变ε与磁化强度、应力、温度的关系模型，可以模拟材料的非线性输出。针对超磁致伸缩电声换能器的机-声特性，许多学者建立了机械阻抗模型来描述换能器的频响特性。为了进一步描述换能器的电-声转换瞬态过程，需要将材料层面的非线性与换能器整体的机械振动规律联系起来，建立完善的电声换能器瞬态响应模型来描述其在时域下的输入-输出特性。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法。
2、本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
3、一种水
4、s1、将terfenol-d棒沿其轴向方向等距划分为n段，每一段的中心看作该段的位置，接着在comsol有限元软件中建立超磁致伸缩换能器的三维磁场模型，计算在terfenol-d棒不同段所处位置的偏置磁场强度hbias.i，i＝1,2,…,n；
5、s2、基于毕奥-萨伐尔定律推导多匝密绕线圈内部磁场的计算公式，并计算在terfenol-d棒不同段所处位置的交流磁场强度hac；
6、s3、引入有效磁场强度he与应力σ的关系模型，并将无磁滞磁化man分解为偏置分量mbias和交流分量man.ac，再将正常励磁状态下的动态j-a模型作为交流磁化强度mac的计算模块，然后将mbias与mac相加得到实际的磁化强度m，从而建立考虑应力和偏磁的改进j-a模型，并确定模型的参数[ms,λs,σs,β,a,q,k,c]；其中ms代表饱和磁化强度，λs代表饱和磁致伸缩应变，σs代表磁畴旋转饱和时对应的应力，β为温度相关的热-磁耦合系数，a为形状系数，q为考虑应力和温度的分子场耦合系数，k代表钉扎系数，c代表可逆系数；
7、s4、分别将terfenol-d棒不同段所处位置的偏置磁场强度hdc和交流磁场强度hac代入s3的改进j-a模型中，计算在terfenol-d棒不同段所处位置处的磁化强度mi，i＝1,2,…,n；
8、s5、根据terfenol-d棒不同段所处位置处的磁化强度mi计算terfenol-d棒在不同位置上的磁致伸缩应变λi，并通过公式fi＝aeλi计算这些应变产生的磁致伸缩力fi；其中a为terfenol-d棒的横截面积，e为terfenol-d材料的杨氏模量；
9、s6、根据步骤s1对terfenol-d棒的分段，建立换能器振子的n阶muti-dof模型；并基于“机-电类比法”推导出换能器振子的机械阻抗电路；再分别将换能器的前质量块和后质量块等效为单自由度的1阶振动模型，并基于“机-电类比法”推导出前质量块和后质量块的机械阻抗电路；分别将前后质量块等效的机械阻抗电路接入换能器振子的机械阻抗电路中，并引入前质量块的辐射面在水下的声辐射阻抗，构建超磁致伸缩电声换能器的多阶机械阻抗模型，并基于回路电流法推导出多阶机械阻抗模型的矩阵方程；
10、s7、将s5中计算的磁致伸缩力fi代入所述矩阵方程中，求解出当前时间点下辐射面的瞬时振动速度ur，再利用公式
11、计算距离辐射面d米处的瞬时声压p(d)；其中ρw代表工作水深下水的密度，ah代表前质量块的辐射面积，d代表声场到辐射面的直线距离；其中π代表圆周率，ω＝2πf代表角频率，f为输入电流频率，ur代表辐射面的瞬时振动速度，t为时间，kd为声波的时延；
12、s8、设置水下超磁致伸缩电声换能器的输入电流为i0＝1a，输入频率f为工作频率，声波接收距离d为1m，利用步骤s1-s7计算水下距离换能器辐射面d米处的瞬时声压，并将多周期内的最大声压代入公式tcr＝20log(|p(d)|/i0)+120，计算出换能器在工作频率的发射电流响应tcr；
13、s9、利用步骤s8分别计算不同输入频率下换能器的tcr，并绘制“频率-tcr”曲线，得到超磁致伸缩电声换能器在工作频带范围内的发射电流响应曲线。
14、进一步的改进，步骤s1中，偏置磁场强度的计算步骤为：
15、首先在comsol软件中建立超磁致伸缩换能器的有限元模型，设置包括terfenol-d棒材、永磁体、线圈、前后质量块在内的材料参数；然后添加“磁场”的物理场研究，并在其中添加定义几何域的“安培定律”，选中所有永磁体；再在这个“安培定律”的设置中将“本构关系b-h”的磁化模型设置为“剩余磁通密度”，并输入永磁体的真空磁导率μ0、回复磁导率μrec、剩余磁通密度br，同时定义磁通的方向矢量平行于棒材的轴向方向，模型的控制方程为：
16、b＝μ0μrech+br,其中h为磁场强度，b为磁通密度，μ0为真空磁导率，μrec为回复磁导率，br为剩余磁通密度，||br||为剩余磁通密度模；
17、添加自由三角形网络对有限元模型进行划分，并设置网格的最大单元小于有限元模型的最小间隙；再添加“稳态”的研究步骤，运行仿真模型，由此计算换能器内部的磁场分布；在仿真结果中选取不同划分位置的点，读取这些点的偏置磁场hbias.i，i＝1,2,…,n。
18、进一步的改进，步骤s2中，交流磁场强度的计算步骤为：
19、将激励线圈放置在圆柱形坐标系中，根据毕奥-萨伐尔定律，当输入电流为i＝isin(ωt)a时，线圈上半径为r的无穷小圆电流在空间点(0,0,z)处产生如下的交流磁场dhac：
20、
21、其中n为线圈匝数，i代表输入电流的幅值，lc代表线圈的轴向长度，r1代表线圈的内半径，r2代表线圈的外半径，z为轴向位置，dr为无穷小圆电流的宽度，a为安培，ω为角频率，t为时间；
22、分别沿着线圈的径向方向和轴向方向对dhac积分，得到线圈在轴向上任意空间点处产生的交流磁场强度hac，表示为：
23、
24、分别将terfenol-d棒上不同分段的位置代入上式中，计算得到这些位置上的交流磁场强度hac.i，i＝1,2,…,n。
25、进一步的改进，步骤s3中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，步骤S1中，偏置磁场强度的计算步骤为：
3.根据权利要求1所述的一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，步骤S2中，交流磁场强度的计算步骤为：
4.根据权利要求1所述的一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，步骤S3中，考虑偏磁和应力的改进J-A模型的具体建模步骤为：
5.根据权利要求1所述的一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，步骤S6中，超磁致伸缩电声换能器的机械阻抗模型的具体建模步骤为：
【技术特征摘要】
1.一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，步骤s1中，偏置磁场强度的计算步骤为：
3.根据权利要求1所述的一种水下超磁致伸缩电声换能器的瞬态响应获得方法，其特征在于，步骤s2中，交流磁场强度...
【专利技术属性】
技术研发人员：高兵，杨文虎，宁倩，李湖胜，赵能桐，吴泽伟，伍文华，何志兴，黄博浩，彭超毅，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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