Jednosměrný kruhový hydrofonový senzor

                                

Zavedení

 

Kruhový hydrofon je běžně používaný typ hydrofonu, který se obecně používá v nízkofrekvenčních pásmech. Má vlastnosti ploché frekvenční odezvy, malé velikosti, nízké citlivosti zrychlení, nesměrovosti a dobré konzistence. Jednosměrný kruhový hydrofonový senzor představený v tomto článku je vyroben z dipólové keramické trubice a monopólové keramické trubice. Signál přijímaný dipólem je fázově posunut a zesílen a poté je signál přijímán monopólovou syntézou, aby se vytvořila směrovost ve tvaru srdce. Jednosměrný kruhový hydrofon má malé rozměry a nízkou hmotnost. Jako piezoelektrický prvek velkého přijímacího pole může účinně snížit hmotnost pole. Zejména při použití v konformním poli může fungovat jako virtuální zvuková ozvučnice a realizovat detekci. Rozlišuje se port a port.

 

1 Teoretická analýza

Schematický diagram jednosměrného kruhového hydrofonu je na obrázku 1. Je vidět, že jednosměrný kruhový trubkový hydrofon využívá k syntéze kardioidní směrovosti přirozenou směrovost dipólu a všesměrovou směrovost monopólu.

 

V nízkofrekvenčním pásmu je fázový rozdíl mezi monopólovým vibračním režimem a dipólovým vibračním režimem piezokeramické trubice stejné velikosti 90°, takže dipólovou piezokeramickou trubici lze kompenzovat na 90°fáze. Zároveň je mezi nimi rozdíl ve velikosti přijímaného signálu, takže amplituda dipólu by měla být zesílena tak, aby se dopadající zvukové vlny ve směru 180° vzájemně rušily a směrovost hydrofonu byla ve tvaru srdce.

 

2 Simulace metodou konečných prvků jednosměrný hydrofon

K vytvoření modelu hydrofonu použijte software pro simulaci konečných prvků ANSYS. Jak je znázorněno na obrázku 2, modrá je dipól, červená je monopól a růžová je vodní plocha. Použití symetrických hranic může zjednodušit model a stačí sestavit pouze 1/2 modelu. Piezoelektrický keramický materiál je PZT-5, velikost φ20mm×φ18mm×10mm, jeho rezonanční frekvence je 48kHz.

Podle teoretického rozboru nejprve vypočítejte fázi a citlivost příjmu monopólových a dipólových přijímacích signálů a výsledky jsou zobrazeny na obrázku 3 a obrázku 4. Je vidět, že v nízkofrekvenčním pásmu je fázový rozdíl mezi monopolním a dipólovým zářením asi 90°, s kolísáním 2,5°. Křivka změny rozdílu citlivosti . Čára má minimální sklon kolem 6 kHz. Podle toho lze nastavit střední pracovní frekvenci kolem 6 kHz, fázový posun dipólu je 90 stupňů a kompenzace amplitudy je 10krát.

Podle výše vypočteného fázového posunu a kompenzace amplitudy je simulována a vypočtena jednosměrná kruhová trubice a diagram směrovosti je znázorněn na obrázku 5. Je vidět, že hydrofon má nejlepší směrovost ve tvaru srdce při 6 kHz. V rozsahu 4kHz~12kHz, rozdíl vyzařování před a za hydrofonem Nad 10dB lze mít za to, že hydrofon má jednosměrnost a dokáže rozlišit přední a zadní stranu.

3 Výroba a testování jednosměrného kruhového trubkového hydrofonu

Podle výsledků simulačního výpočtu je skutečný obrázek jednosměrného kruhového trubkového hydrofonu uveden na 6.

Změřte v anechoickém bazénu, použijte akviziční desku pro sběr dat a pomocí Matlabu zpracujte získaná data podle fázového posunu a kompenzace amplitudy získané simulací. Získaný směrový diagram je znázorněn na 7.

Naměřená data směrového grafu 4kHz~12kHz jednosměrného kruhového tubusu jsou v zásadě v souladu se simulací, ale rozdíl vyzařování vpředu a vzadu je o něco menší než výsledek simulace, což je způsobeno velkou a malou směrovostí dipólu v osmičce. Tento test ověřuje, že jednosměrný kruhový trubkový hydrofonní senzor má širokopásmový jednosměrný výkon. Jako přijímací prvek pole má schopnost rozlišovat mezi pravobokem a pravobokem.

 

4 Závěr

V tomto příspěvku je navržena jednosměrná kruhová trubka. Na principu syntézy jednopólové a dipólové směrovosti se na dipólu provádí fázová kompenzace a amplitudové zesílení a lze dosáhnout jednosměrnosti ve frekvenčním pásmu 4kHz~12kHz. Nakonec testem projde. Možnost tohoto typu hydrofonu je ověřena a má jistou praktickou perspektivu. Dalším krokem je zlepšení výroby dipólové elektronky, optimalizace citlivosti hydrofonu a rozšíření pracovního frekvenčního pásma.