Navorsing oor die lae frekwensie geboë hidrofoon

Ten einde lae frekwensie klankgolwe met hoë sensitiwiteit te ontvang, is 'n dubbelsydige drie-laminasie buighidrofoon bestudeer, met die toepassing van die eindige element sagteware COMSOL op die simulasie en optimeringsontwerp van die geboë hidrofoon. Die invloed van elke onderdeel op die ontvangsensitiwiteitsgraad van die hidrofoon is ontleed om die optimale skema te verskaf. Uiteindelik het ons 'n hidrofoonprototipe vervaardig en dit in die water getoets. Die maksimum grootte van die hidrofoonprototipe was 45 mm. Die eksperimentresultate toon dat in die ontvangsfrekwensiereeks 500 Hz−2.5 kHz, die maksimum ontvangsdruksensitiwiteitsgraad −178 dB was, wat minder as 4 dB golwend het. Die eksperimentresultaat is dieselfde as dié van simulasie.

 

As 'n onderwater akoestiese transducer sein ontvang toestel, 'n klankdruk hidrofoon kan gebruik word om subtiele veranderinge in die onderwater klank druk seine op te vang, genereer 'n spanningsuitset eweredig aan die klankdruk, en omskep klankenergie in elektriese seine wat maklik is om waar te neem. Die sleuteltoerusting vir die normale werking van die sonarstelsel is 'n onontbeerlike en nodige toerusting in die onderwater akoestiese navorsing. Die bestaande lae-frekwensie, hoë-sensitiwiteit hidrofone het egter dikwels 'n relatief groot grootte. Die drie-gestapelde skyfstruktuur van die transducer, die buigvibrasiemodus oorheers die vibrasie, het die eienskappe van lae resonante frekwensie, klein grootte, eenvoudige struktuur en so aan. In die toepassing van die driestapelskyf word dit egter meer gebruik op die transducer of vektorhidrofoon, en minder op die akoestiese drukhidrofoon. Die nadeel van lae-frekwensie buig hidrofone is dat die werk frekwensie band is baie smal, maar soos kommersieel beskikbare hidrofone, die bandwydte is baie wyd, maar die sensitiwiteit vlak is nie hoog nie. As daar 'n behoefte is om klankgolwe slegs in 'n spesifieke lae frekwensieband te ontvang, word die laminasies gebuig. Die hidrofoon met die gestruktureerde struktuur het die voordeel van 'n hoë sensitiwiteitsvlak en het sy gebruikswaarde. Hierdie vraestel beoog om 'n drie-laminasie geboë hidrofoon te ontwerp, wat voordeel trek uit die klein grootte en lae resonansiepunt van die drie-laminering skyf, en neem die ontwerp vorm aan om twee boonste en onderste drie-laminering skywe in parallel te verbind, en pas die fundamentele frekwensie aan deur grootte optimalisering. Die posisie van die resonansiepunt word gebruik om 'n kleingrootte hidrofoon met 'n hoë sensitiwiteitsreaksie in 'n lae frekwensieband te realiseer.

 

 

1 Die ontwerp van die drie-laminasie geboë hidrofoon

Drie-laminasie-buighidrofoon, die middelste deel is 'n metaalring, die metaalring bind twee drie-lamineringsskyfies simmetries op en af, die piëzo-elektriese keramiek van die drie-lamineringsskyfies is in serie gekoppel, en die boonste en onderste twee drie-lamineringsskywe is in serie verbind. Deur parallelle verbinding kan hierdie struktuur die hidrofoon simmetries laat vibreer, en is dit maklik om te monteer en te vervaardig.

 

2 Eindige element simulasie van hidrofoon

COMSOL multifisika simulasie eindige element sagteware, met akoesties-piëso-elektriese interaksie module, kan gebruik word om multi-fisika probleme soos vloeistof-struktuur koppeling in vlakke golf of sferiese golf klankveld te ontleed, en kan direk die werktoneel van hidrofoon-omskakelaar wat klankgolwe in water ontvang. En kan die ooreenstemmende spanning van die piëzo-elektriese keramiekoppervlak van die hidrofoon onttrek om die ontvangsensitiwiteit te bereken. Hierdie artikel gebruik COMSOL-sagteware om die geboë hidrofoon te ontleed en te ontwerp.

 

2.1 Eindige element simulasiemodel van hidrofoon

Gebruik COMSOL multifisika-simulasiesagteware om eindige-elementontleding op die ontwerpte hidrofoon uit te voer. Stel eers die eindige element-model van die hidrofoon vas, en ignoreer die bindingslaag tussen die piëzo-elektriese keramiek en die metaal, die bindingslaag tussen die metale en die poliuretaanrubber wat in die buitenste laag in die modellering gepot is. Die vestiging van 'n driedimensionele model van die hidrofoon met gom en gelaste elektrodedrade, kies die PZ-T-5 duralumin, koper of staal as die materiaal vir die middelmetaalskyf, en kies koper as die materiaal vir die middelmetaalring.

 

2.2 Navorsing oor die vibrasiemodus van hidrofoon

Deur COMSOL-sagteware te gebruik om die kenmerkende frekwensie van die hidrofoon te ontleed, kan u intuïtief die kenmerkende frekwensie en vibrasieverplasing van die verskillende vibrasiemodusse van die hidrofoon verkry. Die skematiese diagram sluit die relatiewe posisie van elke deel van die hidrofoon in elke vibrasiemodus in. Hierdie ontledingsresultate help om die werkbeginsel van die hidrofoon beter te verstaan. Die vibrasie van die eerste-orde vibrasiemodus van 'n hidrofoon van 'n sekere grootte. Hierdie vibrasiemodus is die modus wanneer die hidrofoon klankgolwe ontvang.

 

 

2.3 Strukturele optimeringsontwerp van hidrofoon

Gebruik COMSOL-sagteware om die werkverrigting van die hidrofoon in die water te simuleer en te ontleed. Jy kan direk 'n waterarea met 'n radius van 0.05 m rondom die hidrofoon vestig, en dan 'n vlakke klankgolf-agtergrondveld met 'n klankdruk van 1 Pa in die waterarea stel om die werklike werkscenario van die hidrofoon in water te simuleer, die gevestigde onderwatermodel van die hidrofoon word in Figuur 4 getoon. In die COMSOL-analise-instelling kies die navorsingstap die hele frekwensie-lynreaksiesisteem na die harmoniese reaksiestelsel in die geheel opwekking kan ontleed word, en die spanning wat deur die hidrofoon opgewek word onder die werking van klankgolwe van verskillende frekwensies kan bereken word. Onttrek dan die spanning op die piëso-elektriese keramiekoppervlak van die hidrofoon, en bereken die ooreenstemmende ontvangsensitiwiteitsvlak van die hidrofoon deur 'n formule. Aangesien die hidrofoon in 'n oopkringtoestand werk, is die piek van die hidrofoon se ontvangsensitiwiteit op sy anti-resonansiefrekwensie, en die ontvangsensitiwiteitsvlak van 'n onderwater hidrofoon van 'n sekere grootte word gesimuleer.

 

Dit kan uit die simulasieresultate gesien word dat die ontvangsensitiwiteitsvlakkromme van die hidrofoon met hierdie struktuur relatief plat is in die lae frekwensieband. Vervolgens sal ons die dimensionele veranderinge van elke deel van die hidrofoon bestudeer, en die effek van die anti-resonansie frekwensie en die lae frekwensie ontvang sensitiwiteit vlak van die hidrofoon invloed. Met die meetkundige parameters van die PZT en die metaalskywe in die driestapel, en die tipe metaalmateriale as veranderlikes, word die grootte en fluktuasiegraad van die ontwerpte hidrofoon se klankdruk ontvangs sensitiwiteitsvlak in die lae frekwensieband as die doel geneem, en die hidrofoon word uitgevoer. Die geoptimaliseerde ontwerp van die hidrofoon streef daarna om die klankdruk-ontvangende sensitiwiteitsvlak van die hidrofoon in die lae frekwensieband so hoog as moontlik te maak en die skommelinge so klein as moontlik te maak. Die veranderlikes wat gebruik word in die simulasie-analise van die beheerde veranderlike metode is: 1) die materiaal eienskappe van die drie gelamineerde metaal skywe; 2) die verhouding van die PZT-radius tot die metaalplaatradius; 3) die verhouding van die PZT-dikte tot die dikte van die metaalplaat; 4) die dikte van die drie gelamineerde velle van gelyke dikte in vergelyking met die radius.

 

2.3.1 Tipes PZT en tipes metaalplate

Verander die tipe metaalskyf in die middel van die drie laminasies, en verkry die anti-resonansiefrekwensie en ontvangsensitiwiteitsvlakkromme van die hidrofoon in water deur simulasieberekening. Die resultate word in Tabel 1 en Figuur 6 getoon.

Dit kan uit Tabel 1 gesien word dat namate die Young se modulus van die geselekteerde metaal geleidelik toeneem, die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon geleidelik toeneem. Dit kan uit Fig. 6 gesien word dat namate die Young se modulus van die metaalplaat geleidelik toeneem, die ontvangsensitiwiteitsvlak van die lae frekwensieband van die hidrofoon geleidelik afneem.

 

2.3.2 Verhouding van PZT-radius tot metaalplaatradius

Hou die dikte van die PZT en die tussenmetaalplaat onveranderd, en neem die radius van die tussenmetaalplaat as 20 mm. Wanneer slegs die PZT-radius verander word, word die hidrofoon-anti-resonansiefrekwensie en ontvangsensitiwiteitsvlakkrommes in die water in Figuur 7 en 8 getoon.

Dit kan gesien word uit Fig. 7 dat soos die radius van die PZT toeneem, die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon in die water geleidelik toeneem, en wanneer dit 20 mm nader, die anti-resonante frekwensie skaars toeneem. Figuur 8 toon dat namate die PZT-radius groter word, die ontvangsensitiwiteitsvlak van die hidrofoon in die lae frekwensieband geleidelik afneem, maar die mate van afname is nie groot nie, en die skommelinge is meer plat. 2.3.3 Die verhouding van PZT-dikte tot metaaldikte hou PZT en die radius van die middelste metaalplaat onveranderd. Die dikte van die middelste metaalplaat is 1 mm, en slegs die PZT-dikte word verander. Die anti-resonansiefrekwensie en ontvangsensitiwiteitsvlakkromme van die hidrofoon in water word in Figuur 9 en 10 getoon.

 

Dit kan uit Figuur 9 gesien word dat soos die dikte van die PZT toeneem, die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon in water geleidelik toeneem. Wanneer dit dieselfde dikte as die metaalplaat van 1 mm bereik, bereik die anti-resonante frekwensie die maksimum, en die PZT dikte neem steeds toe. Die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon neem eerder af. Dit kan gesien word uit Figuur 10(a) dat namate die dikte van die PZT van 0.2 mm tot 0.5 mm toeneem, die ontvangsensitiwiteitsvlak van die hidrofoon in die lae frekwensieband geleidelik toeneem, en die fluktuasies word meer plat. Wanneer die dikte van PZT egter 0,4 mm is, is die situasie spesiaal, en die ontvangsensitiwiteitsvlak van die lae frekwensieband neem skielik af; uit Figuur 10(b), kan gesien word dat wanneer die dikte van PZT van 0.5 mm tot 1.5 mm toeneem, die lae frekwensie ontvangs sensitiwiteit van die hidrofoon Die vlak geleidelik afneem, en die fluktuasie is byna onveranderd.

 

2.3.4 Verhouding van dikte tot radius van drie gelamineerde velle van gelyke dikte

Wanneer die dikte van die metaalplaat in die middelste laag dieselfde is as die dikte van die PZT, is die ekwivalente elektromeganiese koppelingskoëffisiënt van die drielaagplaat die grootste. Vervolgens word die invloed van die dikte tot radiusverhouding van die drielaagplaat van gelyke dikte op die onderwaterwerking van die hidrofoon ontleed. Hou die dikte en radius van die drie gelamineerde metaalplate van gelyke dikte onveranderd, die PZT-radius onveranderd, hou die PZT en die metaaldikte dieselfde, en verander net die dikte van die PZT (metaalplaat). Soos getoon in Figure 11 en 12.

 

Dit kan uit Figuur 11 gesien word dat soos die dikte van die PZT (metaalplaat) toeneem, die anti-resonante frekwensie in die water van die hidrofoon geleidelik toeneem. In Figuur 12, soos die dikte van die PZT (metaalplaat) geleidelik toeneem, neem die ontvangsensitiwiteitsvlak van die hidrofoon in die lae frekwensieband geleidelik af, en die skommelinge word geleidelik kleiner.

 

2.3.5 Gereeldheidsanalise

Die responsveranderingswet wat in die bogenoemde optimeringsproses verkry is, kan soos volg opgesom word: 1) Soos die Young se modulus van die middelmetaalskyf geleidelik toeneem, sal die anti-resonante frekwensie van onderwater kommunikasie hidrofoon word geleidelik groter, en die ontvang sensitiwiteit vlak van die lae frekwensie band word kleiner en fluktueer. 2) Soos die verhouding van die PZT tot die metaalplaatradius groter word, word die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon in water groter, die ontvangsensitiwiteitsvlak van die lae frekwensieband verminder, en die fluktuasie word kleiner; 3) Soos die verhouding van die PZT-dikte tot die metaalplaatdikte groter word, neem die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon in die water eers toe en neem dan af, bereik die piekwaarde teen 'n verhouding van 1, en die lae-frekwensie ontvang sensitiwiteitsvlak neem eers toe en neem dan af, bereik die piek teen 'n lae frekwensie, en geleidelik af; 4) ens In die dik drievoudige laminaat, soos die verhouding van die dikte tot die radius van die PZT (metaalplaat) groter word, word die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon in water groter, word die ontvangsensitiwiteitsvlak in die lae frekwensieband kleiner, en die fluktuasie word kleiner. Oor die algemeen, hoe groter die transduktorgrootte, hoe kleiner is die resonansiefrekwensie daarvan, en die fundamentele resonansiefrekwensie van die hidrofoon neem toe met die toename van die PZT-radius of -dikte. Dit is omdat die hidrofoon drie Die buigvibrasiemodus van die gelamineerde vel gebruik. Die hoofbeïnvloedende faktor van hierdie vibrasiemodus is die styfheid van die tripleks. Wanneer die PZT radius of dikte toeneem, word die styfheid van die hele tripleks groter, dus die resonansie van die tripleks buigvibrasiemodus Die frekwensie sal groter word, wat die resonansiefrekwensie van die hidrofoon groter maak. Die hoogte van die metaalring wat in die middel van die hidrofoon vasgeklem is, is baie kleiner as die deursnee van die drie-laag plaat, en dit neem nie deel aan die buigvibrasie van die drie-laag plaat nie, so die impak op die hidrofoon is klein.

 

2.4 Finale uitslag

Volgens bogenoemde invloedswet deur strukturele optimering, en met inagneming van die moeilikheid van die werklike produksieproses van die verskillende dele van die hidrofoon, word die grootte parameters van die verskillende dele van die hidrofoon uiteindelik bepaal soos in Tabel 2 getoon. Gebruik COMSOL sagteware om die impedansiekromme van die hidrofoon in water te simuleer en te bereken. Die anti-resonante frekwensie is 5,2 kHz, soos getoon in Figuur 13.

 

 

 

 

Gebruik COMSOL-sagteware om die ontvangsensitiwiteitsvlak van die hidrofoon in die frekwensiegebied van 100 Hz tot 6 kHz te simuleer en te bereken, soos in Figuur 14 getoon.

Gebruik COMSOL-sagteware om die ontvangsensitiwiteitsvlak van die hidrofoon in die frekwensiegebied van 100 Hz tot 6 kHz te simuleer en te bereken, soos in Figuur 14 getoon.

In die lae frekwensieband 100 Hz~2.5 kHz is die ontvangsensitiwiteitsvlak van die hidrofoon ongeveer −178 dB, en die fluktuasie is minder as 3 dB, soos getoon in Figuur 15. Wanneer die golflengte van die klankgolf baie groter is as die maksimum lineêre skaal van die transducer, het geen direkte die transduktiwiteit nie. In die werkfrekwensieband van die hidrofoon is die minimum golflengte wanneer die klankgolffrekwensie 2,5 kHz is 0,6 m, wat groter is as die maksimum grootte van die hidrofoon met 0,045 m, dit kan in ag geneem word dat die hidrofoon geen rigting het wanneer klankgolwe ontvang word nie.

 

3 Produksie en toetsing van hidrofoon

Volgens die finale strukturele parameters van die hidrofoon wat deur COMSOL geoptimaliseer is, is die strukturele komponente verwerk en die hidrofoonprototipe is gemaak, soos getoon in Figuur 16. Na oppot is die deursnee van die hidrofoon 45 mm en die dikte is 12 mm.

Die werkverrigtingtoets van hidrofoon is in 'n anechoiese swembad uitgevoer, die grootte van die swembad was 25 m × 16 m × 10 m, en die vergelykingsmetode is vir meting gebruik, en 'n standaard hidrofoon (B&K 8105) is vir vergelykende meting gebruik. Polsseinoordrag word aangeneem, en die afstand tussen die transducer en die standaard hidrofoon is 1,5 m (voldoen aan die ver-veld toestand), en dit word langs die lengte van die swembad geplaas met 'n hangdiepte van 4 m. Die admittansiekromme in die water van die prototipe hidrofoon word uiteindelik gemeet soos in Figuur 17 getoon.

 

 

Dit kan uit Figuur 17 gesien word dat die anti-resonante frekwensie van die hidrofoonprototipe 3,3 kHz is. As gevolg van die beperking van die onderste limiet van die klankgolffrekwensie dat die sender-omskakelaar wat gebruik word slegs 500 Hz-klankgolf kan uitstuur, is die laagste frekwensie van die meetwater-ontvangs-sensitiwiteitsvlakkromme 500 Hz, soos in Figuur 18 getoon.

Dit kan uit Figuur 18 gesien word dat in die 500 Hz ~ 2.5 kHz frekwensieband, die ontvangersensitiwiteitsvlak van hidrofoon hoogstens −178 dB is, en die fluktuasie is minder as 4 dB. Die verskil tussen die meet- en gesimuleerde resultate van die anti-resonante frekwensie van die hidrofoon is hoofsaaklik te wyte aan die feit dat die oppervlak van die hidrofoonprototipe gepot is met 'n laag waterdigte poliuretaanrubber met 'n dikte van 2 mm, wat die ekwivalente vibrasiekwaliteit van die hidrofoon sal verhoog. Dit is moeilik om hierdie viskoelastiese materiaal op die COMSOL-simulasiesagteware te simuleer. Die samestelling akkuraatheid van die strukturele dele en die bindingsproses sal ook 'n sekere impak op die werkverrigting van die hidrofoon hê. Bogenoemde twee faktore veroorsaak die verskil tussen die gemete data en die eindige element simulasiewaarde. . Vergelyk die gemete data van die ontvangsensitiwiteitsvlak in die 500 Hz~2.5 kHz frekwensieband met die simulasieresultate, soos getoon in Figuur 19. In hierdie frekwensieband is die gemete maksimum ontvangsensitiwiteitsvlak −178 dB, en die fluktuasie is minder as 4 dB. Die gemete data en die gesimuleerde waarde Die neiging is dieselfde, en die gemete data fluktueer effens groter as die gesimuleerde waarde.

Wat die ontvangsensitiwiteitstoets van die hidrofoon in verskillende asimute betref, is die aksiale en radiale ontvangsensitiwiteitsvlakke van die hidrofoon onderskeidelik getoets. Die toetsresultate word in Figuur 20 getoon. Die ontvangsensitiwiteitsvlak is min of meer dieselfde, en dit kan beskou word dat die hidrofoon geen rigting in die werkfrekwensieband van 500 Hz ~ 2.5 kHz het nie.

4 Gevolgtrekking

1) Ontwerp en vervaardig 'n lae-frekwensie buig hidrofoon. Die meethidrofoon het 'n ontvangsensitiwiteitsvlak van −178 dB in die frekwensieband 500Hz−2.5 kHz, en die fluktuasie is minder as 4 dB. 2.Die klein-grootte lae-frekwensie buig hidrofoon het die eienskappe van die ontvangs van klankgolwe met hoër sensitiwiteit besef, wat leidende betekenis het vir die toepassing van die buigskyfstruktuur in die hidrofoon.