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压电式次声相控阵列技术研究

作　者: 刘杏娟
导　师: 侯文
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 次声发生器压电陶瓷聚束定向传播声测试次声武器
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

“和平与发展”的国际形势下，反恐防暴已成为当今主要作战形式之一，在此背景下对非致命次声武器的探索和研究具有重要的现实意义。本文研究的压电式次声相控阵技术是实现尚在探索中的小型便携式现场可控次声非致命武器的关键技术之一，对实现次声武器具有重要意义。压电式次声相控阵技术的实现运用了逆向压电效应产生次声波，并通过压电元件阵列的次声波干涉效应增强次声强度进行聚束定向传播；论文进行了基于MATLAB的压电式次声相控阵列的指向性优化研究，分析了阵列的几何参数对其指向性能的影响，完成了单个压电元件声波发生器的研究分析和实验，探讨了压电式次声发生器的结构设计和电压驱动问题，设计了简易微型消声室，解决了噪声环境中弱声信号的测试；最后对16路压电式次声相控阵列进行了设计、制作和仿真。本文设计的技术方案和仿真计算结论对相关研究具有参考价值，且单个压电元件声波发生器的研究分析和实验，为今后压电式次声波发生器的优化和改进指明了关键所在；设计制作的简易消声室用于噪声环境中弱声信号的实验测试；完成了16路压电式次声相控阵实物设计和制作有助于接下来进一步的研究。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 研究目的和意义  9
  1.2 非致命武器和次声武器的国内外发展现状  9-14
    1.2.1 非致命武器的由来和发展  9-11
    1.2.2 强噪声武器简介  11-12
    1.2.3 非致命次声武器的特点及生物效应  12-14
  1.3 压电式次声相控阵列技术是探索次声武器的关键技术  14-17
  1.4 主要研究内容及章节安排  17-18
  1.5 本章小结  18-19
2 压电式次声相控阵列的技术方案研究  19-31
  2.1 现场可控非致命次声武器的工作原理  19-21
    2.1.1 系统组成及原理  19-20
    2.1.2 压电式次声相控阵列的技术难点和参考指标  20-21
  2.2 压电式次声相控阵列技术方案  21-28
    2.2.1 声波方程  21-22
    2.2.2 压电效应概述及分析  22-23
    2.2.3 产生强次声及次声定向聚束传播的方法分析  23-28
    2.2.4 压电式次声相控阵系统方案综述  28
  2.3 次声频段电信号源分析  28-30
    2.3.1 次声频段电信号源严格的相干特性  28-29
    2.3.2 次声频段电信号较大的功率特性  29
    2.3.3 次声频段电信号源轻小便携的几何特性  29-30
  2.4 本章小结  30-31
3 借助原超声研究成果探讨压电式次声相控阵指向性  31-43
  3.1 压电式换能器阵列指向性概述  31-32
    3.1.1 压电式换能器阵列  31-32
    3.1.2 指向性概述  32
  3.2 压电式换能器阵列声场的指向性分析  32-36
    3.2.1 基于 matlab 的一维线列阵指向性函数分析  33-35
    3.2.2 基于 matlab 的二维平面阵换能器声场的建模与仿真  35-36
  3.3 二维平面阵换能器声场指向性参数优化  36-41
    3.3.1 阵元数目 N  37
    3.3.2 阵元间距 d  37-38
    3.3.3 各参数综合算例分析  38-41
  3.4 本章小结  41-43
4 单个压电晶体声波发声器的实验研究和分析  43-60
  4.1 实验涉及器件概述  43-50
    4.1.1 超声探头原理和简介  43-46
    4.1.2 超声测距模块简介  46-47
    4.1.3 传声器简介和选择  47-48
    4.1.4 实验中选用的声测试系统  48-50
  4.2 声信号测试系统中设计的简易消声室  50-52
  4.3 超声探头的线性电压驱动实验和分析  52-56
    4.3.1 超声探头线性放大电路原理图  52-53
    4.3.2 超声探头线性电压驱动的电信号实验  53-54
    4.3.3 超声探头线性电压驱动的声信号实验  54-56
  4.4 超声探头的方波电压驱动实验和分析  56-59
    4.4.1 超声测距模块发射电路原理图  56-57
    4.4.2 超声探头方波电压驱动的电信号实验  57-58
    4.4.3 超声探头方波电压驱动的声信号实验  58-59
  4.5 本章小结  59-60
5 压电式次声相控阵列设计和制作  60-71
  5.1 高电压输出的次声频段驱动器设计  60
  5.2 压电陶瓷的选用  60-63
  5.3 压电式次声相控阵的设计  63-64
    5.3.1 电路板的高绝缘和高输入阻抗方案设计  63-64
    5.3.2 对声阻抗和反射问题的探索和解决  64
  5.4 压电式次声相控阵的设计和制作  64-67
    5.4.1 压电式次声相控阵结构设计  64-65
    5.4.2 压电式次声相控阵电路图及 PCB 设计  65-66
    5.4.3 电路板压电陶瓷的焊接和实物组装  66-67
  5.5 计算和仿真  67-70
    5.5.1 各压电声波发生器输出幅度不同发生干涉现象的验证  67-69
    5.5.2 干涉效果与压电单元数的关系  69-70
  5.6 本章小结  70-71
6 结论与展望  71-73
  6.1 研究工作总结  71-72
  6.2 技术积累  72
  6.3 展望和建议  72-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作  76-77
致谢  77-78

压电式次声相控阵列技术研究

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