بحث حول الهيدروفونات المنحنية ذات التردد المنخفض

من أجل استقبال موجات صوتية منخفضة التردد بحساسية عالية، تمت دراسة هيدروفون ثني ثلاثي التصفيح مزدوج الجوانب، باستخدام برنامج العناصر المحدودة COMSOL لتصميم المحاكاة والتحسين للهيدروفون المنحني. تم تحليل تأثير كل جزء على درجة حساسية الاستقبال للهيدروفون لتوفير المخطط الأمثل. وأخيرًا، أنتجنا نموذجًا أوليًا لمكبر الصوت المائي واختبرناه في الماء. كان الحد الأقصى لحجم النموذج الأولي للمكبر المائي 45 ملم. تظهر نتائج التجربة أنه في نطاق تردد الاستقبال 500 هرتز -2.5 كيلو هرتز، كانت درجة حساسية ضغط الاستقبال القصوى هي -178 ديسيبل، متموجة أقل من 4 ديسيبل. نتيجة التجربة هي نفس نتيجة المحاكاة.

 

باعتباره جهاز استقبال إشارة محول الصوت تحت الماء ، يمكن استخدام هيدروفون ضغط الصوت لالتقاط التغييرات الطفيفة في إشارات ضغط الصوت تحت الماء، وتوليد خرج جهد يتناسب مع ضغط الصوت، وتحويل الطاقة الصوتية إلى إشارات كهربائية يسهل مراقبتها، المعدات الرئيسية للتشغيل العادي لنظام السونار هي معدات لا غنى عنها وضرورية في البحث الصوتي تحت الماء. ومع ذلك، فإن السماعات المائية الحالية ذات التردد المنخفض وعالية الحساسية غالبًا ما يكون لها حجم كبير نسبيًا. هيكل القرص ثلاثي مكدس لمحول الطاقة، ويهيمن وضع الاهتزاز المنحني على الاهتزاز، وله خصائص تردد الرنين المنخفض، وصغر الحجم، والبنية البسيطة، وما إلى ذلك. ومع ذلك، في تطبيق القرص ثلاثي الكدسات، يتم استخدامه بشكل أكبر على محول طاقة الإرسال أو المضخم المائي المتجه، وأقل استخدامًا في المضخم الصوتي ذو الضغط الصوتي. عيب الهيدروفونات المنحنية منخفضة التردد هو أن نطاق تردد العمل ضيق جدًا، ولكن مثل الهيدروفونات المتاحة تجاريًا، فإن عرض النطاق الترددي واسع جدًا، لكن مستوى الحساسية ليس مرتفعًا. إذا كانت هناك حاجة لاستقبال موجات صوتية فقط في نطاق تردد منخفض محدد، فسيتم ثني الصفائح. يتمتع الهيدروفون ذو البنية الهيكلية بميزة مستوى الحساسية العالي وله قيمة استخدامه. تهدف هذه الورقة إلى تصميم هيدروفون منحني ثلاثي التصفيح، والذي يستفيد من الحجم الصغير ونقطة الرنين المنخفضة للقرص ثلاثي التصفيح، ويعتمد شكل التصميم لتوصيل قرصين علوي وسفلي ثلاثي التصفيح بالتوازي، ويضبط التردد الأساسي من خلال تحسين الحجم. يتم استخدام موضع نقطة الرنين لتحقيق هيدروفون صغير الحجم مع استجابة عالية الحساسية في نطاق التردد المنخفض.

 

 

1 تصميم الهيدروفون المنحني ثلاثي التصفيح

هيدروفون منحني ثلاثي التصفيح، الجزء الأوسط عبارة عن حلقة معدنية، والحلقة المعدنية تربط بشكل متناظر قرصين ثلاثي التصفيح لأعلى ولأسفل، والسيراميك الكهرضغطي للأقراص ثلاثية التصفيح متصلة في سلسلة، والقرصان العلوي والسفلي ثلاثي التصفيح متصلان في سلسلة. من خلال التوصيل المتوازي، يمكن لهذا الهيكل أن يجعل الهيدروفون يهتز بشكل متماثل، وهو سهل التجميع والتصنيع.

 

2 محاكاة العناصر المحدودة للهيدروفون

يمكن استخدام برنامج COMSOL لمحاكاة الفيزياء المتعددة العناصر المحدودة، مع وحدة التفاعل الصوتي الكهروضغطي، لتحليل مشكلات الفيزياء المتعددة مثل اقتران بنية السائل في موجة مستوية أو مجال صوت موجة كروية، ويمكنه محاكاة مشهد العمل مباشرة محول هيدروفوني يستقبل الموجات الصوتية في الماء. ويمكن استخراج الجهد المقابل لسطح السيراميك الكهرضغطي للهيدروفون لحساب حساسية الاستقبال. تستخدم هذه المقالة برنامج COMSOL لتحليل وتصميم المضخم المائي المنحني.

 

2.1 نموذج محاكاة العناصر المحدودة للهيدروفون

استخدم برنامج محاكاة الفيزياء المتعددة COMSOL لإجراء تحليل العناصر المحدودة على مكبر الصوت المصمم. أولاً، قم بإنشاء نموذج العناصر المحدودة للهيدروفون، وتجاهل طبقة الترابط بين السيراميك الكهرضغطي والمعدن، وطبقة الترابط بين المعادن، ومطاط البولي يوريثين الموجود في الطبقة الخارجية في النمذجة. إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للهيدروفون باستخدام أسلاك الغراء والقطب الملحومة، واختيار PZT-5 كمادة خزفية كهرضغطية، واختيار الدورالومين أو النحاس أو الفولاذ كمادة للقرص المعدني الأوسط، واختيار النحاس كمادة المواد للحلقة المعدنية الوسطى.

 

2.2 بحث عن وضع الاهتزاز للهيدروفون

باستخدام برنامج COMSOL لتحليل التردد المميز للمضخم المائي، يمكنك الحصول بشكل بديهي على التردد المميز وإزاحة الاهتزاز لأنماط الاهتزاز المختلفة للمضخم المائي. يتضمن الرسم التخطيطي الموقع النسبي لكل جزء من أجزاء المضخم المائي في كل وضع اهتزاز. تساعد نتائج التحليل هذه على فهم مبدأ عمل الهيدروفون بشكل أفضل. اهتزاز وضع الاهتزاز من الدرجة الأولى لمكبر الصوت بحجم معين. وضع الاهتزاز هذا هو الوضع الذي يستقبل فيه الهيدروفون موجات صوتية.

 

 

2.3 التصميم الهيكلي الأمثل للهيدروفون

استخدام برنامج COMSOL لمحاكاة وتحليل أداء عمل الهيدروفون في الماء. يمكنك مباشرة إنشاء منطقة مائية يبلغ نصف قطرها 0.05 متر حول الهيدروفون، ثم تعيين مجال خلفية موجة صوتية مستوية مع ضغط صوتي قدره 1 باسكال في منطقة الماء لمحاكاة سيناريو العمل الفعلي للهيدروفون في الماء، يظهر الشكل 4. في إعداد تحليل COMSOL، تحدد خطوة البحث مجال التردد، بحيث يمكن تحليل استجابة النظام الخطي بأكمله عند تعرضه لإثارة توافقية بسيطة، ويمكن تحليل يمكن حساب الجهد المثار بواسطة الهيدروفون تحت تأثير موجات صوتية ذات ترددات مختلفة. ثم استخرج الجهد الكهربي الموجود على سطح السيراميك الكهرضغطي للمضخم المائي، واحسب مستوى حساسية الاستقبال المقابل للمضخم المائي من خلال صيغة. نظرًا لأن الهيدروفون يعمل في حالة دائرة مفتوحة، فإن ذروة حساسية استقبال الهيدروفون تكون عند تردد الرنين المضاد، ومستوى حساسية الاستقبال يبلغ تتم محاكاة مكبر الصوت تحت الماء بحجم معين.

 

يمكن أن نرى من نتائج المحاكاة أن منحنى مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون مع هذا الهيكل مسطح نسبيًا في نطاق التردد المنخفض. بعد ذلك، سوف نقوم بدراسة التغيرات الأبعادية لكل جزء من أجزاء الهيدروفون، وتأثير تردد الرنين المضاد ومستوى حساسية استقبال التردد المنخفض لتأثير الهيدروفون. بأخذ المعلمات الهندسية لـ PZT والأقراص المعدنية في الكومة الثلاثية، ونوع المواد المعدنية كمتغيرات، تم أخذ حجم ودرجة تذبذب ضغط الصوت المصمم للهيدروفون الذي يستقبل مستوى الحساسية في نطاق التردد المنخفض كهدف، ويتم تنفيذ الهيدروفون. يسعى التصميم الأمثل للهيدروفون إلى جعل مستوى حساسية استقبال ضغط الصوت للهيدروفون في نطاق التردد المنخفض أعلى مستوى ممكن والتقلبات صغيرة قدر الإمكان. المتغيرات المستخدمة في تحليل المحاكاة لطريقة المتغير المتحكم فيه هي: 1) خصائص المواد للأقراص المعدنية الثلاثة المغلفة؛ 2) نسبة نصف قطر PZT إلى نصف قطر الصفائح المعدنية؛ 3) نسبة سمك PZT إلى سمك الصفائح المعدنية؛ 4) سمك الألواح الثلاثة المصفحة متساوية السماكة مقارنة بنصف القطر.

 

2.3.1 أنواع PZT وأنواع الصفائح المعدنية

قم بتغيير نوع القرص المعدني الموجود في منتصف الصفائح الثلاثة، واحصل على تردد الرنين المضاد ومنحنى مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون في الماء عن طريق حساب المحاكاة. وتظهر النتائج في الجدول 1 والشكل 6.

يمكن أن نرى من الجدول 1 أنه مع زيادة معامل يونج للمعدن المختار تدريجيًا، يزداد التردد المضاد للرنين للهيدروفون تدريجيًا. يمكن أن نرى من الشكل 6 أنه مع زيادة معامل يونج للصفائح المعدنية تدريجيًا، يتناقص تدريجيًا مستوى حساسية الاستقبال لنطاق التردد المنخفض للهيدروفون.

 

2.3.2 نسبة نصف قطر PZT إلى نصف قطر الصفائح المعدنية

حافظ على سمك PZT والصفائح المعدنية المتوسطة دون تغيير، وخذ نصف قطر الصفائح المعدنية المتوسطة 20 مم. عندما يتم تغيير نصف قطر PZT فقط، يظهر في الشكلين 7 و8 تردد مضاد الرنين المائي ومنحنيات مستوى حساسية الاستقبال في الماء.

يمكن أن نرى من الشكل 7 أنه مع زيادة نصف قطر PZT، يزداد التردد المضاد للرنين في الماء تدريجيًا، وعندما يقترب من 20 مم، بالكاد يزيد التردد المضاد للرنين. يوضح الشكل 8 أنه عندما يصبح نصف قطر PZT أكبر، يتناقص تدريجيًا مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون في نطاق التردد المنخفض، لكن درجة الانخفاض ليست كبيرة، وتكون التقلبات أكثر استواءً. 2.3.3 نسبة سمك PZT إلى سمك المعدن تحافظ على PZT ونصف قطر الصفائح المعدنية المتوسطة دون تغيير. سمك الصفائح المعدنية الوسطى هو 1 مم، ويتم تغيير سمك PZT فقط. يظهر الشكل 9 و10 تردد الرنين المضاد ومنحنى مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون في الماء.

 

يمكن أن نرى من الشكل 9 أنه مع زيادة سمك PZT، يزداد التردد المضاد للرنين للهيدروفون في الماء تدريجيًا. عندما يصل إلى نفس سمك الصفائح المعدنية التي تبلغ 1 مم، يصل تردد الرنين المضاد إلى الحد الأقصى، ويستمر سمك PZT في الزيادة. يتناقص التردد المضاد للرنين للهيدروفون بدلاً من ذلك. يمكن أن نرى من الشكل 10 (أ) أنه مع زيادة سمك PZT من 0.2 مم إلى 0.5 مم، يزداد تدريجيًا مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون في نطاق التردد المنخفض، وتصبح التقلبات أكثر استواءً. ومع ذلك، عندما يكون سمك PZT 0.4 مم، يكون الوضع خاصًا، وينخفض ​​فجأة مستوى حساسية الاستقبال لنطاق التردد المنخفض؛ من الشكل 10 (ب)، يمكن ملاحظة أنه عندما يزيد سمك PZT من 0.5 مم إلى 1.5 مم، فإن حساسية استقبال التردد المنخفض للهيدروفون ينخفض ​​المستوى تدريجيًا، ولا يتغير التقلب تقريبًا.

 

2.3.4 نسبة السماكة إلى نصف القطر لثلاث صفائح مغلفة ذات سماكة متساوية

عندما يكون سمك الصفائح المعدنية في الطبقة الوسطى هو نفس سمك PZT، يكون معامل الاقتران الكهروميكانيكي المكافئ للصفائح ثلاثية الطبقات هو الأكبر. بعد ذلك، يتم تحليل تأثير نسبة السُمك إلى نصف القطر للطبقة ثلاثية الطبقات ذات السماكة المتساوية على تشغيل المضخم تحت الماء. حافظ على سمك ونصف قطر الصفائح المعدنية الثلاثة ذات السماكة المتساوية دون تغيير، ونصف قطر PZT دون تغيير، وحافظ على PZT وسمك المعدن كما هو، وقم فقط بتغيير سمك PZT (الصفائح المعدنية). كما هو موضح في الشكلين 11 و12.

 

يمكن أن نرى من الشكل 11 أنه مع زيادة سمك PZT (الصفائح المعدنية)، يزداد التردد المضاد للرنين في ماء الهيدروفون تدريجيًا. في الشكل 12، مع زيادة سمك PZT (الصفائح المعدنية) تدريجيًا، يتناقص تدريجيًا مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون في نطاق التردد المنخفض، وتصبح التقلبات أصغر تدريجيًا.

 

2.3.5 تحليل الانتظام

يمكن تلخيص قانون تغيير الاستجابة الذي تم الحصول عليه في عملية التحسين المذكورة أعلاه على النحو التالي: 1) مع زيادة معامل يونغ للقرص المعدني الأوسط تدريجياً، فإن التردد المضاد للرنين يصبح مكبر الصوت للاتصالات تحت الماء أكبر تدريجيًا، ويصبح مستوى حساسية الاستقبال لنطاق التردد المنخفض أصغر ويتقلب. 2) عندما تصبح نسبة PZT إلى نصف قطر الصفائح المعدنية أكبر، يصبح التردد المضاد للرنين للهيدروفون في الماء أكبر، وينخفض ​​مستوى حساسية الاستقبال لنطاق التردد المنخفض، ويصبح التقلب أصغر؛ 3) عندما تصبح نسبة سمك PZT إلى سمك الصفائح المعدنية أكبر، يزداد التردد المضاد للرنين للهيدروفون في الماء أولاً ثم يتناقص، ليصل إلى قيمة الذروة عند نسبة 1، ويزيد مستوى حساسية استقبال التردد المنخفض أولاً ثم ينخفض، ليصل إلى الذروة عند نسبة حوالي 0.5، وتنخفض تقلبات التردد المنخفض تدريجيًا؛ 4) إلخ. في الصفائح الثلاثية السميكة، عندما تصبح نسبة السُمك إلى نصف قطر PZT (الصفائح المعدنية) أكبر، يصبح التردد المضاد للرنين للهيدروفون في الماء أكبر، ويصبح مستوى حساسية الاستقبال في نطاق التردد المنخفض أصغر، ويصبح التقلب أصغر. بشكل عام، كلما زاد حجم محول الطاقة، قل تردد الرنين، ويزداد تردد الرنين الأساسي للمضخم مع زيادة نصف قطر أو سمك PZT. وذلك لأن الهيدروفون يستخدم ثلاثة أوضاع اهتزاز انثناء للصفائح المصفحة. العامل الرئيسي المؤثر في وضع الاهتزاز هذا هو صلابة الثلاثي. عندما يزيد نصف قطر أو سمك PZT، تصبح صلابة الثلاثي بأكمله أكبر، وبالتالي فإن رنين وضع الاهتزاز الانثناءي الثلاثي سيصبح التردد أكبر، مما يجعل تردد الرنين للهيدروفون أكبر. ارتفاع الحلقة المعدنية المثبتة في منتصف المضخم المائي أصغر بكثير من قطر الصفيحة ثلاثية الطبقات، ولا تشارك في اهتزاز الانحناء للصفيحة ثلاثية الطبقات، وبالتالي فإن التأثير على المضخم المائي صغير.

 

2.4 النتيجة النهائية

وفقا لقانون التأثير المذكور أعلاه من خلال التحسين الهيكلي، ومع الأخذ في الاعتبار صعوبة عملية الإنتاج الفعلية للأجزاء المختلفة من الهيدروفون، يتم تحديد معلمات حجم الأجزاء المختلفة من الهيدروفون أخيرًا كما هو موضح في الجدول 2. استخدم برنامج COMSOL لمحاكاة وحساب منحنى مقاومة الهيدروفون في الماء. تردد الرنين المضاد هو 5.2 كيلو هرتز، كما هو موضح في الشكل 13.

 

 

 

 

استخدم برنامج COMSOL لمحاكاة وحساب مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون في نطاق التردد من 100 هرتز إلى 6 كيلو هرتز، كما هو موضح في الشكل 14.

استخدام برنامج COMSOL لمحاكاة وحساب مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون في نطاق التردد من 100 هرتز إلى 6 كيلو هرتز، كما هو موضح في الشكل 14.

في نطاق التردد المنخفض 100 هرتز ~ 2.5 كيلو هرتز، يبلغ مستوى حساسية الاستقبال للهيدروفون حوالي -178 ديسيبل، ويكون التقلب أقل من 3 ديسيبل، كما هو موضح في الشكل 15. عندما يكون الطول الموجي للموجة الصوتية أكبر بكثير من الحد الأقصى للمقياس الخطي لمحول الطاقة، فإن محول الطاقة ليس له اتجاهية. في نطاق تردد عمل الهيدروفون، يكون الحد الأدنى لطول الموجة عندما يكون تردد الموجة الصوتية 2.5 كيلو هرتز هو 0.6 متر، وهو أكبر من الحد الأقصى لحجم الهيدروفون بمقدار 0.045 متر، ويمكن اعتبار أن الهيدروفون ليس له اتجاهية عند استقبال الموجات الصوتية.

 

3 إنتاج واختبار الهيدروفونات

وفقًا للمعايير الهيكلية النهائية للمضخم المائي المُحسّن بواسطة COMSOL، تمت معالجة المكونات الهيكلية وتم صنع النموذج الأولي للمضخم المائي، كما هو موضح في الشكل 16. بعد وضع الوعاء، يبلغ قطر المضخم المائي 45 مم وسمك 12 مم.

تم إجراء اختبار أداء الهيدروفون في حوض سباحة عديم الصدى، وكان حجم المسبح 25 م × 16 م × 10 م، وتم استخدام طريقة المقارنة للقياس، وتم استخدام هيدروفون قياسي (B&K 8105) لقياس المقارنة. تم اعتماد نقل إشارة النبض، والمسافة بين محول الإرسال والمكبر الصوتي القياسي هي 1.5 متر (يرضي حالة المجال البعيد)، ويتم وضعه على طول حوض السباحة بعمق معلق يبلغ 4 أمتار. أخيرًا يتم قياس منحنى القبول في الماء للنموذج الأولي للمكبر الصوتي كما هو موضح في الشكل 17.

 

 

يمكن أن نرى من الشكل 17 أن التردد المضاد للرنين للنموذج الأولي للمضخم المائي هو 3.3 كيلو هرتز. نظرًا لقيود الحد الأدنى لتردد الموجة الصوتية الذي يمكن لمحول الإرسال المستخدم أن ينقل فقط موجة صوتية تبلغ 500 هرتز، فإن أدنى تردد لمنحنى مستوى حساسية استقبال المياه المقاسة هو 500 هرتز، كما هو موضح في الشكل 18.

يمكن أن نرى من الشكل 18 أنه في نطاق التردد 500 هرتز ~ 2.5 كيلو هرتز، يكون مستوى حساسية المستقبِل للهيدروفون على الأكثر -178 ديسيبل، ويكون التقلب أقل من 4 ديسيبل. يرجع الاختلاف بين نتائج القياس والنتائج المحاكية للتردد المضاد للرنين للهيدروفون بشكل أساسي إلى حقيقة أن سطح النموذج الأولي للمضخم المائي مغطى بطبقة من مطاط البولي يوريثين المانع للماء بسمك 2 مم، مما سيزيد من جودة الاهتزاز المكافئة للهيدروفون. من الصعب محاكاة هذه المادة اللزجة المرنة على برنامج المحاكاة COMSOL. سيكون لدقة تجميع الأجزاء الهيكلية وعملية الربط أيضًا تأثير معين على أداء الهيدروفون. العاملان المذكوران أعلاه يسببان الفرق بين البيانات المقاسة وقيمة محاكاة العناصر المحدودة. . قارن البيانات المقاسة لمستوى حساسية الاستقبال في نطاق التردد 500 هرتز ~ 2.5 كيلو هرتز مع نتائج المحاكاة، كما هو مبين في الشكل 19. في نطاق التردد هذا، يبلغ الحد الأقصى لمستوى حساسية الاستقبال المقاس -178 ديسيبل، ويكون التقلب أقل من 4 ديسيبل. البيانات المقاسة والقيمة المحاكاة الاتجاه هو نفسه، وتتقلب البيانات المقاسة أكبر قليلاً من القيمة المحاكاة.

فيما يتعلق باختبار حساسية الاستقبال للمضخم المائي في سمت مختلفة، تم اختبار مستويات حساسية الاستقبال المحوري والقطري للمضخم المائي على التوالي. تظهر نتائج الاختبار في الشكل 20. مستوى حساسية الاستقبال هو نفسه تقريبًا، ويمكن اعتبار أن الهيدروفون ليس له اتجاهية في نطاق تردد العمل البالغ 500 هرتز ~ 2.5 كيلو هرتز.

4 الاستنتاج

1) تصميم وإنتاج هيدروفون ذو انحناء منخفض التردد. يحتوي هيدروفون القياس على مستوى حساسية استقبال يبلغ -178 ديسيبل في نطاق التردد 500 هرتز - 2.5 كيلو هرتز، ويكون التقلب أقل من 4 ديسيبل. 2. لقد أدرك الهيدروفون المنحني ذو التردد المنخفض الصغير الحجم خصائص استقبال الموجات الصوتية ذات الحساسية العالية، والتي لها أهمية توجيهية لتطبيق هيكل قرص الانحناء في الهيدروفون.