Výzkum nízkofrekvenčního zakřiveného hydrofonu

Aby bylo možné přijímat nízkofrekvenční zvukové vlny s vysokou citlivostí, byl studován oboustranný třívrstvý ohybový hydrofon s použitím softwaru konečných prvků COMSOL na simulaci a optimalizaci návrhu zakřiveného hydrofonu. Pro získání optimálního schématu byl analyzován vliv každé části na stupeň citlivosti příjmu hydrofonu. Nakonec jsme vyrobili prototyp hydrofonu a otestovali jej ve vodě. Maximální velikost prototypu hydrofonu byla 45 mm. Výsledky experimentu ukazují, že v přijímacím kmitočtovém rozsahu 500 Hz-2,5 kHz byl maximální stupeň citlivosti přijímacího tlaku -178 dB, zvlněný méně než 4 dB. Výsledek experimentu je stejný jako u simulace.

 

Jako an Zařízení pro příjem signálu podvodního akustického měniče , hydrofon akustického tlaku lze použít k zachycení jemných změn v signálech podvodního akustického tlaku, generování napěťového výstupu úměrného akustickému tlaku a přeměně zvukové energie na elektrické signály, které lze snadno pozorovat. Klíčovým vybavením pro normální provoz sonarového systému je nepostradatelné a nezbytné vybavení pro podvodní akustický výzkum. Stávající nízkofrekvenční hydrofony s vysokou citlivostí však mají často poměrně velké rozměry. Třívrstvá disková struktura měniče, režim ohybových vibrací dominuje vibracím, má vlastnosti nízké rezonanční frekvence, malé velikosti, jednoduché struktury a tak dále. Při aplikaci třívrstvého disku se však více používá na vysílací měnič nebo vektorový hydrofon a méně na akustický tlakový hydrofon. Nevýhodou nízkofrekvenčních ohybových hydrofonů je, že pracovní frekvenční pásmo je velmi úzké, ale jako komerčně dostupné hydrofony je šířka pásma velmi široká, ale úroveň citlivosti není vysoká. Pokud je potřeba přijímat zvukové vlny pouze ve specifickém nízkofrekvenčním pásmu, jsou lamely ohnuty. Hydrofon se strukturovanou strukturou má výhodu vysoké citlivosti a má svou užitnou hodnotu. Tento článek má v úmyslu navrhnout třívrstvý zakřivený hydrofon, který využívá malé velikosti a nízkého rezonančního bodu třílaminačního disku a přejímá tvar paralelního propojení dvou horních a spodních třívrstvých kotoučů a upravuje základní frekvenci pomocí optimalizace velikosti. Poloha rezonančního bodu se používá k realizaci malého hydrofonu s vysokou citlivostí odezvy v nízkofrekvenčním pásmu.

 

 

1 Konstrukce třívrstvého zakřiveného hydrofonu

Třívrstvý ohýbací hydrofon, střední část je kovový kroužek, kovový kroužek symetricky spojuje dva třívrstvé kotouče nahoru a dolů, piezoelektrická keramika třílaminačních kotoučů je zapojena do série a horní a spodní dva třívrstvé kotouče jsou zapojeny do série. Díky paralelnímu připojení může tato struktura způsobit, že hydrofon vibruje symetricky, a lze ji snadno sestavit a vyrobit.

 

2 Simulace hydrofonu metodou konečných prvků

COMSOL multifyzikální simulační software konečných prvků s akusticko-piezoelektrickým interakčním modulem lze použít k analýze multifyzikálních problémů, jako je vazba kapaliny a struktury ve zvukovém poli rovinných vln nebo sférických vln, a může přímo simulovat pracovní scénu hydrofonní měnič přijímající zvukové vlny ve vodě. A může extrahovat odpovídající napětí piezoelektrického keramického povrchu hydrofonu pro výpočet citlivosti příjmu. Tento článek používá software COMSOL k analýze a návrhu zakřiveného hydrofonu.

 

2.1 Simulační model hydrofonu metodou konečných prvků

K provedení analýzy konečných prvků na navrženém hydrofonu použijte multifyzikální simulační software COMSOL. Nejprve vytvořte model konečných prvků hydrofonu a ignorujte spojovací vrstvu mezi piezoelektrickou keramikou a kovem, spojovací vrstvu mezi kovy a polyuretanovou pryž zalitou ve vnější vrstvě v modelování. Sestavení trojrozměrného modelu hydrofonu s lepidlem a navařenými elektrodovými dráty, jako duralový kotouč vyberte PZT-5 jako duralový materiál, jako materiál pro piezoelektrickou keramiku vyberte měď, ocel a vyberte materiál materiál pro střední kovový kroužek.

 

2.2 Výzkum vibračního režimu hydrofonu

Pomocí softwaru COMSOL k analýze charakteristické frekvence hydrofonu můžete intuitivně získat charakteristickou frekvenci a vibrační posun různých vibračních režimů hydrofonu. Schématický diagram obsahuje relativní polohu každé části hydrofonu v každém vibračním režimu. Tyto výsledky analýzy pomáhají lépe pochopit princip fungování hydrofonu. Vibrace vibračního režimu prvního řádu hydrofonu určité velikosti. Tento vibrační režim je režim, kdy hydrofon přijímá zvukové vlny.

 

 

2.3 Návrh optimalizace struktury hydrofonu

Použití softwaru COMSOL k simulaci a analýze pracovního výkonu hydrofonu ve vodě. Můžete přímo vytvořit vodní plochu s poloměrem 0,05 m kolem hydrofonu a poté nastavit pole pozadí rovinné zvukové vlny se zvukovým tlakem 1 Pa ve vodní oblasti pro simulaci Skutečný pracovní scénář hydrofonu ve vodě, vytvořený podvodní model hydrofonu je znázorněn na obrázku 4. V nastavení analýzy COMSOL vybere krok výzkumu frekvenční doménu celého systému, aby bylo možné analyzovat harmonickou odezvu celého systému. lze vypočítat napětí vybuzené hydrofonem při působení zvukových vln různých frekvencí. Poté odeberte napětí na piezoelektrickém keramickém povrchu hydrofonu a pomocí vzorce vypočítejte odpovídající úroveň citlivosti příjmu hydrofonu. Protože hydrofon pracuje ve stavu otevřeného obvodu, vrchol citlivosti příjmu hydrofonu je na jeho antirezonanční frekvenci a úroveň citlivosti příjmu je je simulován podvodní hydrofon určité velikosti.

 

Z výsledků simulace je vidět, že křivka úrovně citlivosti příjmu hydrofonu s touto strukturou je v nízkofrekvenčním pásmu relativně plochá. Dále budeme studovat rozměrové změny každé části hydrofonu a vliv antirezonanční frekvence a úrovně citlivosti nízkofrekvenčního příjmu na vliv hydrofonu. Vezmeme-li geometrické parametry PZT a kovových disků v tri-stacku a typ kovových materiálů jako proměnné, velikost a stupeň kolísání úrovně citlivosti přijímaného akustického tlaku navrženého hydrofonu v nízkofrekvenčním pásmu jsou brány jako cíl a hydrofon je realizován. Optimalizovaná konstrukce hydrofonu usiluje o to, aby úroveň citlivosti přijímaného akustického tlaku hydrofonu v nízkofrekvenčním pásmu byla co nejvyšší a kolísání co nejmenší. Proměnné použité v simulační analýze metody řízené proměnné jsou: 1) materiálové vlastnosti tří laminovaných kovových kotoučů; 2) poměr poloměru PZT k poloměru plechu; 3) poměr tloušťky PZT k tloušťce plechu; 4) tloušťka tří laminovaných listů stejné tloušťky ve srovnání s poloměrem.

 

2.3.1 Druhy PZT a druhy plechů

Změňte typ kovového disku uprostřed tří laminací a simulačním výpočtem získejte antirezonanční frekvenci a křivku úrovně citlivosti příjmu hydrofonu ve vodě. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1 a na obrázku 6.

Z tabulky 1 je vidět, že jak se postupně zvyšuje Youngův modul vybraného kovu, postupně se zvyšuje antirezonanční frekvence hydrofonu. Z obr. 6 je vidět, že jak se postupně zvyšuje Youngův modul plechu, úroveň citlivosti příjmu nízkofrekvenčního pásma hydrofonu postupně klesá.

 

2.3.2 Poměr poloměru PZT k poloměru plechu

Tloušťku PZT a meziplechu ponechte nezměněnou a poloměr meziplechu vezměte na 20 mm. Když se změní pouze poloměr PZT, jsou antirezonanční frekvence hydrofonu a křivky úrovně citlivosti příjmu ve vodě zobrazeny na obrázcích 7 a 8.

Z obr. 7 je vidět, že se zvětšujícím se poloměrem PZT se postupně zvyšuje antirezonanční frekvence hydrofonu ve vodě a když se přiblíží 20 mm, antirezonanční frekvence téměř neroste. Obrázek 8 ukazuje, že jak se poloměr PZT zvětšuje, úroveň citlivosti příjmu hydrofonu v nízkofrekvenčním pásmu postupně klesá, ale míra poklesu není velká a kolísání je více ploché. 2.3.3 Poměr tloušťky PZT k tloušťce kovu zachovává PZT a poloměr středního plechu beze změny. Tloušťka středního plechu je 1 mm a mění se pouze tloušťka PZT. Křivka antirezonanční frekvence a úrovně citlivosti příjmu hydrofonu ve vodě jsou znázorněny na obrázku 9 a 10.

 

Z obrázku 9 je vidět, že s rostoucí tloušťkou PZT se postupně zvyšuje antirezonanční frekvence hydrofonu ve vodě. Když dosáhne stejné tloušťky jako plech 1 mm, dosáhne antirezonanční frekvence maxima a tloušťka PZT se dále zvětšuje. Místo toho klesá antirezonanční frekvence hydrofonu. Z obrázku 10(a) je vidět, že jak se tloušťka PZT zvětšuje z 0,2 mm na 0,5 mm, úroveň citlivosti příjmu hydrofonu v nízkofrekvenčním pásmu se postupně zvyšuje a kolísání se stává plochější. Pokud je však tloušťka PZT 0,4 mm, je situace zvláštní a úroveň citlivosti příjmu nízkofrekvenčního pásma náhle klesá; z obrázku 10(b) je vidět, že když se tloušťka PZT zvýší z 0,5 mm na 1,5 mm, citlivost hydrofonu na příjem nízkých frekvencí Hladina postupně klesá a kolísání se téměř nemění.

 

2.3.4 Poměr tloušťky k poloměru tří laminovaných desek stejné tloušťky

Když je tloušťka plechu ve střední vrstvě stejná jako tloušťka PZT, je ekvivalentní elektromechanický vazební koeficient třívrstvého plechu největší. Dále je analyzován vliv poměru tloušťky k poloměru třívrstvého plechu stejné tloušťky na podvodní provoz hydrofonu. Udržujte tloušťku a poloměr tří vrstvených plechů stejné tloušťky beze změny, poloměr PZT beze změny, ponechte stejnou tloušťku PZT a kovu a měňte pouze tloušťku PZT (plechu). Jak je znázorněno na obrázcích 11 a 12.

 

Z obrázku 11 je vidět, že s rostoucí tloušťkou PZT (plechu) se postupně zvyšuje antirezonanční frekvence ve vodě hydrofonu. Na obrázku 12, jak se tloušťka PZT (plechu) postupně zvyšuje, úroveň citlivosti příjmu hydrofonu v nízkofrekvenčním pásmu postupně klesá a kolísání se postupně zmenšuje.

 

2.3.5 Analýza pravidelnosti

Zákon změny odezvy získaný ve výše uvedeném optimalizačním procesu lze shrnout následovně: 1) Jak Youngův modul středního kovového disku postupně roste, antirezonanční frekvence podvodní komunikační hydrofon se postupně zvětšuje a úroveň citlivosti příjmu nízkofrekvenčního pásma se zmenšuje a kolísá. 2) Jak se poměr PZT k poloměru plechu zvětšuje, zvyšuje se antirezonanční frekvence hydrofonu ve vodě, snižuje se úroveň citlivosti příjmu nízkofrekvenčního pásma a zmenšuje se kolísání; 3) Jak se poměr tloušťky PZT k tloušťce kovového plechu zvětšuje, antirezonanční frekvence hydrofonu ve vodě se nejprve zvyšuje a poté snižuje, přičemž dosahuje maximální hodnoty v poměru 1, a úroveň citlivosti nízkofrekvenčního příjmu se nejprve zvyšuje a poté snižuje, přičemž dosahuje vrcholu v poměru asi 0,5, a kolísání nízkých frekvencí se postupně snižuje; 4) atd. V tlustém trojitém laminátu, jak se poměr tloušťky k poloměru PZT (plechu) zvětšuje, zvyšuje se antirezonanční frekvence hydrofonu ve vodě, úroveň citlivosti příjmu v nízkofrekvenčním pásmu se zmenšuje a kolísání se zmenšuje. Obecně platí, že čím větší je velikost měniče, tím menší je jeho rezonanční frekvence a základní rezonanční frekvence hydrofonu se zvyšuje s rostoucím poloměrem nebo tloušťkou PZT. Je to proto, že hydrofon používá tři ohybové vibrační režimy laminované fólie. Hlavním faktorem ovlivňujícím tento vibrační režim je tuhost triplexu. Když se poloměr nebo tloušťka PZT zvětší, tuhost celého triplexu se zvětší, takže rezonance triplexového ohybového vibračního módu Frekvence se zvětší, čímž se zvětší rezonanční frekvence hydrofonu. Výška kovového kroužku upnutého uprostřed hydrofonu je mnohem menší než průměr třívrstvého plechu a nepodílí se na ohybové vibraci třívrstvého plechu, takže dopad na hydrofon je malý.

 

2.4 Konečný výsledek

Podle výše uvedeného zákona vlivu prostřednictvím strukturální optimalizace a s přihlédnutím k obtížnosti skutečného výrobního procesu různých částí hydrofonu jsou nakonec určeny velikostní parametry různých částí hydrofonu, jak je uvedeno v tabulce 2. K simulaci a výpočtu impedanční křivky hydrofonu ve vodě použijte software COMSOL. Antirezonanční frekvence je 5,2 kHz, jak je znázorněno na obrázku 13.

 

 

 

 

Použijte software COMSOL k simulaci a výpočtu úrovně citlivosti příjmu hydrofonu ve frekvenčním rozsahu 100 Hz až 6 kHz, jak je znázorněno na obrázku 14.

Použití softwaru COMSOL k simulaci a výpočtu úrovně citlivosti příjmu hydrofonu ve frekvenčním rozsahu 100 Hz až 6 kHz, jak je znázorněno na obrázku 14.

V nízkofrekvenčním pásmu 100 Hz~2,5 kHz je úroveň přijímací citlivosti hydrofonu asi -178 dB a kolísání je menší než 3 dB, jak je znázorněno na obrázku 15. Když je vlnová délka zvukové vlny mnohem větší než maximální lineární měřítko měniče, nemá měnič žádnou směrovost. V pracovním frekvenčním pásmu hydrofonu je minimální vlnová délka při frekvenci zvukové vlny 2,5 kHz 0,6 m, což je větší než maximální velikost hydrofonu o 0,045 m, lze uvažovat, že hydrofon nemá směrovost při příjmu zvukových vln.

 

3 Výroba a testování hydrofonu

Podle konečných konstrukčních parametrů hydrofonu optimalizovaných COMSOL byly zpracovány konstrukční prvky a vyroben prototyp hydrofonu, jak je znázorněno na obrázku 16. Po zalití je průměr hydrofonu 45 mm a tloušťka 12 mm.

Výkonnostní test hydrofonu byl proveden v bezodrazovém bazénu, rozměr bazénu byl 25 m × 16 m × 10 m, pro měření byla použita srovnávací metoda, pro srovnávací měření byl použit standardní hydrofon (B&K 8105). Je použit přenos pulzního signálu a vzdálenost mezi vysílacím převodníkem a standardním hydrofonem je 1,5 m (splňuje podmínky vzdáleného pole) a je umístěn po délce bazénu s hloubkou zavěšení 4 m. Nakonec se změří křivka admitance ve vodě prototypu hydrofonu, jak je znázorněno na obrázku 17.

 

 

Z obrázku 17 je vidět, že antirezonanční frekvence prototypu hydrofonu je 3,3 kHz. Vzhledem k omezení spodní hranice frekvence zvukové vlny, kterou může použitý vysílací převodník přenášet pouze zvukové vlny 500 Hz, je nejnižší frekvence křivky úrovně citlivosti příjmu měřicí vody 500 Hz, jak je znázorněno na obrázku 18.

Z obrázku 18 je vidět, že ve frekvenčním pásmu 500 Hz ~ 2,5 kHz je úroveň citlivosti přijímače hydrofonu nejvýše -178 dB a kolísání je menší než 4 dB. Rozdíl mezi naměřenými a simulovanými výsledky antirezonanční frekvence hydrofonu je způsoben především tím, že povrch prototypu hydrofonu je zalit vrstvou vodotěsné polyuretanové pryže o tloušťce 2 mm, která zvýší ekvivalentní kvalitu vibrací hydrofonu. Je obtížné simulovat tento viskoelastický materiál v simulačním softwaru COMSOL. Přesnost montáže konstrukčních dílů a proces lepení bude mít také určitý vliv na výkon hydrofonu. Výše uvedené dva faktory způsobují rozdíl mezi naměřenými daty a hodnotou simulace metodou konečných prvků. . Porovnejte naměřená data úrovně citlivosti příjmu ve frekvenčním pásmu 500 Hz~2,5 kHz s výsledky simulace, jak je znázorněno na obrázku 19. V tomto frekvenčním pásmu je naměřená maximální úroveň citlivosti příjmu −178 dB a kolísání je menší než 4 dB. Naměřená data a simulovaná hodnota Trend je stejný a naměřená data kolísají mírně větší než simulovaná hodnota.

Pokud jde o test citlivosti příjmu hydrofonu v různých azimutech, byly testovány úrovně axiální a radiální citlivosti příjmu hydrofonu. Výsledky testu jsou znázorněny na obrázku 20. Úroveň citlivosti příjmu je zhruba stejná a lze předpokládat, že hydrofon nemá žádnou směrovost v pracovním frekvenčním pásmu 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Závěr

1) Návrh a výroba nízkofrekvenčního ohýbacího hydrofonu. Měřicí hydrofon má úroveň citlivosti příjmu −178 dB ve frekvenčním pásmu 500Hz−2,5 kHz a kolísání je menší než 4 dB. 2. Nízkofrekvenční ohýbací hydrofon malé velikosti si uvědomil vlastnosti příjmu zvukových vln s vyšší citlivostí, což má hlavní význam pro použití struktury ohybového disku v hydrofonu.