Даследаванне нізкачашчыннага выгнутага гідрафона

Каб атрымаць нізкачашчынныя гукавыя хвалі з высокай адчувальнасцю, быў вывучаны двухбаковы трохламінаваны выгібны гідрафон з прымяненнем праграмнага забеспячэння канечных элементаў COMSOL для мадэлявання і аптымізацыі праектавання выгнутага гідрафона. Для забеспячэння аптымальнай схемы быў прааналізаваны ўплыў кожнай часткі на ступень адчувальнасці прыёму гідрафона. Нарэшце, мы вырабілі прататып гідрафона і выпрабавалі яго ў вадзе. Максімальны памер прататыпа гидрофона складаў 45 мм. Вынікі эксперыменту паказваюць, што ў дыяпазоне частот прыёму 500 Гц−2,5 кГц максімальная ступень адчувальнасці да ціску пры прыёме была -178 дБ, хвалістасць менш за 4 дБ. Вынік эксперыменту такі ж, як і пры мадэляванні.

 

Як ан прылада прыёму сігналу падводнага акустычнага пераўтваральніка , гідрафон гукавога ціску можа быць выкарыстаны для фіксацыі тонкіх змен у сігналах падводнага гукавога ціску, генерацыі выхаднога напружання, прапарцыйнага гукавому ціску, і пераўтварэння гукавой энергіі ў электрычныя сігналы, якія лёгка назіраць. Ключавое абсталяванне для нармальнай працы гідралакатычнай сістэмы з'яўляецца незаменным і неабходным абсталяваннем у падводных акустычных даследаваннях. Аднак існуючыя нізкачашчынныя высокачуллівыя гідрафоны часта маюць параўнальна вялікія памеры. Дыскавая структура пераўтваральніка з трох стэпаў, рэжым вібрацыі на выгіне дамінуе над вібрацыяй, мае характарыстыкі нізкай рэзананснай частаты, невялікага памеру, простай структуры і гэтак далей. Аднак у прымяненні дыска з трох стэкаў ён больш выкарыстоўваецца на перадаючым пераўтваральніку або вектарным гідрафоне і менш на гідрафоне акустычнага ціску. Недахопам нізкачашчынных гідрафонаў з выгібам з'яўляецца тое, што працоўны дыяпазон частот вельмі вузкі, але, як і ў камерцыйна даступных гідрафонаў, прапускная здольнасць вельмі шырокая, але ўзровень адчувальнасці невысокі. Калі ёсць неабходнасць атрымаць гукавыя хвалі толькі ў пэўным дыяпазоне нізкіх частот, пласціны згінаюцца. Гідрафон са структураванай структурай мае перавагу высокага ўзроўню адчувальнасці і мае сваю вартасць выкарыстання. У гэтым дакуменце распрацавана выгнуты гідрафон з трох ламінатаў, які выкарыстоўвае перавагі невялікага памеру і нізкай кропкі рэзанансу дыска з трыма ламінатамі, а таксама прымае канструктыўную форму паралельнага злучэння двух верхніх і ніжніх дыскаў з трох ламінатаў і рэгулюе асноўную частату шляхам аптымізацыі памеру. Палажэнне кропкі рэзанансу выкарыстоўваецца для рэалізацыі малагабарытнага гідрафона з высокай адчувальнасцю ў дыяпазоне нізкіх частот.

 

 

1 Канструкцыя выгнутага гідрафона з трох слаёў

Гідрафон з трох ламінацый, сярэдняя частка ўяўляе сабой металічнае кольца, металічнае кольца сіметрычна злучае два дыскі з трыма ламінацыямі ўверх і ўніз, п'езаэлектрычная кераміка дыскаў з трыма ламінацыямі злучана паслядоўна, а два верхніх і ніжніх дыска з трыма ламінацыямі злучаны паслядоўна. Дзякуючы паралельнаму падключэнню гэтая структура можа прымусіць гідрафон вібраваць сіметрычна, яе лёгка сабраць і вырабіць.

 

2 Мадэляванне гідрафона метадам канчатковых элементаў

Праграмнае забеспячэнне COMSOL для мультыфізічнага мадэлявання канечных элементаў з модулям акустычна-п'езаэлектрычнага ўзаемадзеяння можа выкарыстоўвацца для аналізу мультыфізічных задач, такіх як сувязь вадкасці і структуры ў гукавым полі плоскай хвалі або сферычнай хвалі, і можа непасрэдна мадэляваць рабочую сцэну гідрафонны пераўтваральнік, які прымае гукавыя хвалі ў вадзе. І можа атрымаць адпаведнае напружанне п'езаэлектрычнай керамічнай паверхні гідрафона для разліку адчувальнасці прыёму. У гэтым артыкуле для аналізу і праектавання выгнутага гідрафона выкарыстоўваецца праграмнае забеспячэнне COMSOL.

 

2.1 Канечнаэлементная імітацыйная мадэль гідрафона

Выкарыстоўвайце праграмнае забеспячэнне для мультыфізічнага мадэлявання COMSOL для выканання аналізу канчатковых элементаў на распрацаваным гідрафоне. Спачатку ўсталюйце мадэль гідрафона на аснове канчатковых элементаў і ігнаруйце пласт сувязі паміж п'езаэлектрычнай керамікай і металам, пласт сувязі паміж металамі і паліурэтанавы каўчук, які знаходзіцца ў самым знешнім слоі пры мадэляванні. Стварэнне трохмернай мадэлі гідрафона з дапамогай клею і зварных электродных правадоў, выбар PZT-5 у якасці п'езаэлектрычнай керамікі матэрыялу, у якасці матэрыялу для сярэдняга металічнага дыска абярыце дзюралюмінію, медзь або сталь, а ў якасці матэрыялу для сярэдняга металічнага кольца выберыце медзь.

 

2.2 Даследаванне вібрацыйнага рэжыму гідрафона

Выкарыстоўваючы праграмнае забеспячэнне COMSOL для аналізу характэрнай частаты гідрафона, вы можаце інтуітыўна атрымаць характэрную частату і зрушэнне вібрацыі розных рэжымаў вібрацыі гідрафона. Прынцыповая дыяграма ўключае адноснае размяшчэнне кожнай часткі гідрафона ў кожным рэжыме вібрацыі. Гэтыя вынікі аналізу дапамагаюць лепш зразумець прынцып працы гідрафона. Вібрацыя ваганняў першага парадку гідрафона пэўнага памеру. Гэты рэжым вібрацыі - гэта рэжым, калі гідрафон прымае гукавыя хвалі.

 

 

2.3 Канструктыўная аптымізацыя гідрафона

Выкарыстанне праграмнага забеспячэння COMSOL для мадэлявання і аналізу працоўных характарыстык гідрафона ў вадзе. Вы можаце непасрэдна ўсталяваць акваторыю з радыусам 0,05 м вакол гідрафона, а затым усталяваць плоскае фонавае поле гукавой хвалі з гукавым ціскам 1 Па ў акваторыі для мадэлявання Фактычны сцэнарый працы гідрафона ў вадзе, устаноўленая падводная мадэль гідрафона паказана на малюнку 4. У наладах аналізу COMSOL этап даследавання выбірае частотную вобласць, так што водгук усёй лінейнай сістэмы пры ўздзеянні простага гарманічнага ўзбуджэння можа быць прааналізаваны, і можна разлічыць напружанне, якое ўзбуджаецца гідрафонам пад дзеяннем гукавых хваль рознай частаты. Затым вылучыце напружанне на п'езаэлектрычнай керамічнай паверхні гідрафона і разлічыце па формуле адпаведны ўзровень адчувальнасці прыёму гідрафона. Паколькі гідрафон працуе ў разамкнутым стане, пік прыёмнай адчувальнасці гідрафона прыпадае на яго антырэзанансную частату, а ўзровень прыёмнай адчувальнасці мадэлюецца падводны гідрафон пэўнага памеру.

 

З вынікаў мадэлявання відаць, што крывая ўзроўню адчувальнасці прыёму гідрафона з гэтай структурай адносна плоская ў дыяпазоне нізкіх частот. Далей мы вывучым змены памераў кожнай часткі гідрафона, а таксама ўплыў антырэзананснай частаты і ўзроўню адчувальнасці прыёму нізкачашчыннага ўплыву гідрафона. Прымаючы геаметрычныя параметры PZT і металічных дыскаў у трох стэках, а таксама тып металічных матэрыялаў у якасці зменных, памер і ступень ваганняў узроўню адчувальнасці пры прыёме гукавога ціску спраектаванага гідрафона ў дыяпазоне нізкіх частот бяруцца за мэту, і гідрафон выконваецца. Аптымізаваная канструкцыя гідрафона імкнецца зрабіць узровень адчувальнасці гідрафона да гукавога ціску ў дыяпазоне нізкіх частот як мага больш высокім, а ваганні - як мага меншымі. Зменныя, якія выкарыстоўваюцца ў аналізе мадэлявання метаду кантраляванай зменнай, з'яўляюцца: 1) уласцівасці матэрыялу трох ламінаваных металічных дыскаў; 2) стаўленне радыуса PZT да радыуса металічнага ліста; 3) стаўленне таўшчыні ПЗТ да таўшчыні металічнага ліста; 4) таўшчыня трох ламінаваных лістоў аднолькавай таўшчыні ў параўнанні з радыусам.

 

2.3.1 Віды ПЗТ і віды металічных лістоў

Змяніце тып металічнага дыска ў сярэдзіне трох слаёў і атрымайце антырэзанансную частату і крывую ўзроўню адчувальнасці гідрафона ў вадзе шляхам мадэлявання разліку. Вынікі паказаны ў табліцы 1 і на малюнку 6.

З табліцы 1 відаць, што па меры паступовага павелічэння модуля Юнга абранага металу антырэзанансная частата гідрафона паступова павялічваецца. На малюнку 6 відаць, што па меры паступовага павелічэння модуля Юнга металічнага ліста ўзровень адчувальнасці прыёму ў дыяпазоне нізкіх частот гідрафона паступова зніжаецца.

 

2.3.2 Адносіны радыуса PZT да радыусу металічнага ліста

Захоўвайце таўшчыню PZT і прамежкавага металічнага ліста нязменнымі, а радыус прамежкавага металічнага ліста прымайце роўным 20 мм. Калі змяняецца толькі радыус PZT, антырэзанансная частата гідрафона і крывыя ўзроўню адчувальнасці прыёму ў вадзе паказаны на малюнках 7 і 8.

З мал.7 відаць, што па меры павелічэння радыуса ПЗТ антырэзанансная частата гідрафона ў вадзе паступова расце, а пры набліжэнні да 20 мм антырэзанансная частата амаль не павялічваецца. На малюнку 8 паказана, што калі радыус PZT становіцца большым, узровень адчувальнасці прыёму гідрафона ў дыяпазоне нізкіх частот паступова зніжаецца, але ступень зніжэння не вялікая, а ваганні больш плоскія. 2.3.3 Стаўленне таўшчыні PZT да таўшчыні металу захоўвае PZT і радыус сярэдняга металічнага ліста нязменнымі. Таўшчыня сярэдняга металічнага ліста складае 1 мм, змяняецца толькі таўшчыня PZT. Антырэзанансная частата і крывая ўзроўню адчувальнасці прыёму гідрафона ў вадзе паказаны на малюнках 9 і 10.

 

На малюнку 9 відаць, што па меры павелічэння таўшчыні PZT антырэзанансная частата гідрафона ў вадзе паступова павялічваецца. Калі ён дасягае той жа таўшчыні, што і металічны ліст у 1 мм, антырэзанансная частата дасягае максімуму, і таўшчыня PZT працягвае павялічвацца. Замест гэтага зніжаецца антырэзанансная частата гідрафона. На малюнку 10(a) відаць, што па меры павелічэння таўшчыні PZT ад 0,2 мм да 0,5 мм узровень прыёмнай адчувальнасці гідрафона ў дыяпазоне нізкіх частот паступова павялічваецца, і ваганні становяцца больш плоскімі. Аднак, калі таўшчыня PZT складае 0,4 мм, сітуацыя асаблівая, і ўзровень адчувальнасці прыёму ў дыяпазоне нізкіх частот раптоўна зніжаецца; з малюнка 10(b) відаць, што калі таўшчыня PZT павялічваецца з 0,5 мм да 1,5 мм, адчувальнасць прыёму нізкай частаты гідрафона Узровень паступова зніжаецца, а ваганне амаль не змяняецца.

 

2.3.4 Адносіны таўшчыні да радыуса трох ламінаваных лістоў аднолькавай таўшчыні

Калі таўшчыня металічнага ліста ў сярэднім пласце такая ж, як і таўшчыня PZT, эквівалентны электрамеханічны каэфіцыент сувязі трохслаёвага ліста найбольшы. Далей аналізуецца ўплыў суадносін таўшчыні і радыусу трохслаёвага ліста аднолькавай таўшчыні на падводную працу гідрафона. Захоўвайце нязменнымі таўшчыню і радыус трох ламінаваных металічных лістоў аднолькавай таўшчыні, радыус PZT нязменным, захоўвайце PZT і таўшчыню металу аднолькавымі і мяняйце толькі таўшчыню PZT (металічнага ліста). Як паказана на малюнках 11 і 12.

 

На малюнку 11 відаць, што па меры павелічэння таўшчыні PZT (металічнага ліста) антырэзанансная частата ў вадзе гідрафона паступова павялічваецца. На малюнку 12 па меры паступовага павелічэння таўшчыні PZT (металічнага ліста) узровень прыёмнай адчувальнасці гідрафона ў дыяпазоне нізкіх частот паступова зніжаецца, і ваганні паступова становяцца меншымі.

 

2.3.5 Аналіз заканамернасці

Закон змены рэакцыі, атрыманы ў вышэйзгаданым працэсе аптымізацыі, можна абагульніць наступным чынам: 1) Калі модуль Юнга сярэдняга металічнага дыска паступова павялічваецца, антырэзанансная частата гідрафон падводнай сувязі паступова павялічваецца, а ўзровень адчувальнасці прымаючага дыяпазону нізкіх частот становіцца меншым і вагаецца. 2) Калі стаўленне PZT да радыуса металічнага ліста становіцца большым, антырэзанансная частата гідрафона ў вадзе становіцца большай, узровень адчувальнасці прыёму ў дыяпазоне нізкіх частот зніжаецца, і ваганні становяцца меншымі; 3) Калі стаўленне таўшчыні PZT да таўшчыні металічнага ліста становіцца большым, антырэзанансная частата гідрафона ў вадзе спачатку ўзрастае, а потым памяншаецца, дасягаючы пікавага значэння пры суадносінах 1, а ўзровень адчувальнасці нізкачашчыннага прыёму спачатку павялічваецца, а потым зніжаецца, дасягаючы піка пры суадносінах каля 0,5, і нізкачашчынныя ваганні паступова змяншацца; 4) і г. д. У тоўстым патройным ламінаце, калі стаўленне таўшчыні да радыуса PZT (металічнага ліста) становіцца большым, антырэзанансная частата гідрафона ў вадзе становіцца большай, узровень адчувальнасці прыёму ў дыяпазоне нізкіх частот становіцца меншым, і ваганні становяцца меншымі. Увогуле, чым большы памер пераўтваральніка, тым меншая яго рэзанансная частата, і асноўная рэзанансная частата гідрафона павялічваецца з павелічэннем радыуса або таўшчыні PZT. Гэта адбываецца таму, што гідрафон выкарыстоўвае тры рэжыму вібрацыі пры выгіне ламінаванага ліста. Асноўны фактар, які ўплывае на гэты рэжым вібрацыі, - калянасць трыплексу. Калі радыус або таўшчыня PZT павялічваецца, калянасць усяго трыплекса становіцца большай, таму частата рэзанансу трыплекснага рэжыму выгібнай вібрацыі будзе павялічвацца, што робіць большай рэзанансную частату гідрафона. Вышыня металічнага кольца, заціснутага ў сярэдзіне гідрафона, значна меншая за дыяметр трохслаёвага ліста, і яно не ўдзельнічае ў вібрацыі пры выгіне трохслаёвага ліста, таму ўздзеянне на гідрафон невялікае.

 

2.4 Канчатковы вынік

Згодна з вышэйзгаданым законам уплыву праз структурную аптымізацыю і з улікам складанасці фактычнага працэсу вытворчасці розных частак гідрафона, параметры памеру розных частак гідрафона канчаткова вызначаюцца, як паказана ў табліцы 2. Выкарыстоўвайце праграмнае забеспячэнне COMSOL для мадэлявання і разліку крывой імпедансу гідрафона ў вадзе. Антырэзанансная частата складае 5,2 кГц, як паказана на малюнку 13.

 

 

 

 

Выкарыстоўвайце праграмнае забеспячэнне COMSOL для мадэлявання і разліку ўзроўню адчувальнасці прыёму гідрафона ў дыяпазоне частот ад 100 Гц да 6 кГц, як паказана на малюнку 14.

Выкарыстанне праграмнага забеспячэння COMSOL для мадэлявання і разліку ўзроўню адчувальнасці прыёму гідрафона ў дыяпазоне частот ад 100 Гц да 6 кГц, як паказана на малюнку 14.

У дыяпазоне нізкіх частот 100 Гц ~ 2,5 кГц узровень прыёмнай адчувальнасці гідрафона складае каля −178 дБ, а ваганні менш за 3 дБ, як паказана на малюнку 15. Калі даўжыня хвалі гукавой хвалі значна большая за максімальны лінейны маштаб пераўтваральніка, пераўтваральнік не мае накіраванасці. У працоўным дыяпазоне частот гідрафона мінімальная даўжыня хвалі пры частаце гукавой хвалі 2,5 кГц складае 0,6 м, што больш за максімальны памер гідрафона на 0,045 м, можна лічыць, што гідрафон не мае накіраванасці пры прыёме гукавых хваль.

 

3 Вытворчасць і выпрабаванне гідрафона

У адпаведнасці з канчатковымі структурнымі параметрамі гідрафона, аптымізаванымі COMSOL, структурныя кампаненты былі апрацаваны і зроблены прататып гідрафона, як паказана на малюнку 16. Пасля залівання дыяметр гідрафона складае 45 мм, а таўшчыня - 12 мм.

Тэст прадукцыйнасці гідрафона праводзіўся ў безэхавой басэйне, памер басейна быў 25 м × 16 м × 10 м, і для вымярэння выкарыстоўваўся метад параўнання, а для параўнання выкарыстоўваўся стандартны гідрафон (B&K 8105). Прынята перадача імпульснага сігналу, а адлегласць паміж перадаючым пераўтваральнікам і стандартным гідрафонам складае 1,5 м (задавальняе ўмова далёкага поля), і ён размешчаны па даўжыні басейна з глыбінёй падвешвання 4 м. Канчаткова вымяраецца крывая допуску ў вадзе прататыпа гідрафона, як паказана на малюнку 17.

 

 

З малюнка 17 відаць, што антырэзанансная частата прататыпа гідрафона складае 3,3 кГц. З-за абмежавання ніжняй мяжы частоты гукавой хвалі, што выкарыстоўваны перадаючы пераўтваральнік можа перадаваць толькі гукавую хвалю 500 Гц, самая нізкая частата крывой узроўню адчувальнасці прыёму вымяральнай вады складае 500 Гц, як паказана на малюнку 18.

На малюнку 18 відаць, што ў дыяпазоне частот 500 Гц ~ 2,5 кГц узровень адчувальнасці прымача гідрафона складае не больш за −178 дБ, а ваганні менш за 4 дБ. Розніца паміж вынікамі вымярэння і мадэлявання антырэзананснай частаты гідрафона ў асноўным звязана з тым, што паверхня прататыпа гідрафона пакрыта пластом воданепранікальнай поліурэтанавай гумы таўшчынёй 2 мм, што павысіць эквівалентную якасць вібрацыі гідрафона. Цяжка змадэляваць гэты вязкапругкі матэрыял у праграмным забеспячэнні для мадэлявання COMSOL. Дакладнасць зборкі дэталяў канструкцыі і працэс склейвання таксама акажа пэўны ўплыў на працу гідрафона. Вышэйзгаданыя два фактары выклікаюць розніцу паміж вымеранымі дадзенымі і значэннем мадэлявання метадам канечных элементаў. . Параўнайце вымераныя дадзеныя ўзроўню адчувальнасці прыёму ў дыяпазоне частот 500 Гц ~ 2,5 кГц з вынікамі мадэлявання, як паказана на малюнку 19. У гэтым дыяпазоне частот вымераны максімальны ўзровень адчувальнасці прыёму складае -178 дБ, а ваганні менш за 4 дБ. Вымераныя даныя і змадэляванае значэнне Тэндэнцыя тая ж, і вымераныя даныя вагаюцца крыху больш, чым змадэляванае значэнне.

Што датычыцца выпрабаванняў прыёмнай адчувальнасці гідрафона ў розных азімутах, былі правераны адпаведна восевы і радыяльны ўзроўні прыёмнай адчувальнасці гідрафона. Вынікі выпрабаванняў паказаны на малюнку 20. Узровень адчувальнасці прыёму прыкладна аднолькавы, і можна лічыць, што гідрафон не мае накіраванасці ў працоўным дыяпазоне частот 500 Гц ~ 2,5 кГц.

4 Заключэнне

1) Распрацоўка і вытворчасць нізкачашчыннага гідрафона. Вымяральны гідрафон мае ўзровень адчувальнасці прыёму -178 дБ у дыяпазоне частот 500 Гц - 2,5 кГц, а ваганне складае менш за 4 дБ. 2.Малагабарытны нізкачашчынны гідрафон з выгібам рэалізаваў характарыстыкі прыёму гукавых хваль з больш высокай адчувальнасцю, што мае вызначальнае значэнне для прымянення структуры згінаючагася дыска ў гідрафоне.