Forskning i lavfrekvent buet hydrofon

For at modtage lavfrekvente lydbølger med høj følsomhed blev en dobbeltsidet tre-lamineret bøjelig hydrofon undersøgt, ved at anvende finite element-softwaren COMSOL til simulerings- og optimeringsdesignet af den buede hydrofon. Indflydelsen af ​​hver del på den modtagende følsomhedsgrad af hydrofonen blev analyseret for at give det optimale skema. Til sidst producerede vi en hydrofonprototype og testede den i vandet. Den maksimale størrelse af hydrofonprototypen var 45 mm. Eksperimentresultaterne viser, at i det modtagende frekvensområde 500 Hz−2,5 kHz var den maksimale modtagetrykfølsomhedsgrad −178 dB, bølgende mindre end 4 dB. Eksperimentresultatet er det samme som simuleringsresultatet.

 

Som en undervands akustisk transducer signalmodtagende enhed, en lydtrykshydrofon kan bruges til at fange subtile ændringer i undervandslydtryksignalerne, generere en spændingsoutput proportional med lydtrykket og konvertere lydenergi til elektriske signaler, der er lette at observere, Nøgleudstyret til normal drift af ekkolodssystemet er et uundværligt og nødvendigt udstyr i den akustiske undervandsforskning. De eksisterende lavfrekvente, højfølsomme hydrofoner har dog ofte en relativt stor størrelse. Transducerens tre-stablede skivestruktur, bøjningsvibrationstilstanden dominerer vibrationen, har egenskaberne ved lav resonansfrekvens, lille størrelse, enkel struktur og så videre. Ved anvendelsen af ​​den tre-stablede skive bruges den dog mere på den transmitterende transducer eller vektorhydrofonen og mindre på den akustiske trykhydrofon. Ulempen ved lavfrekvente bøjningshydrofoner er, at arbejdsfrekvensbåndet er meget smalt, men ligesom kommercielt tilgængelige hydrofoner er båndbredden meget bred, men følsomhedsniveauet er ikke højt. Hvis der er behov for kun at modtage lydbølger i et specifikt lavfrekvensbånd, bøjes lamineringerne. Hydrofonen med den strukturerede struktur har fordelen af ​​højt følsomhedsniveau og har sin brugsværdi. Dette papir har til hensigt at designe en buet hydrofon med tre lamineringer, som udnytter den lille størrelse og lave resonanspunkt på trelamineringsskiven og vedtager designformen med at forbinde to øvre og nedre tre-lamineringsskiver parallelt og justere den grundlæggende frekvens gennem størrelsesoptimering. Placeringen af ​​resonanspunktet bruges til at realisere en lille hydrofon med høj følsomhedsrespons i lavfrekvensbåndet.

 

 

1 Designet af den buede hydrofon med tre lamineringer

Tre-lamineret bøjningshydrofon, den midterste del er en metalring, metalringen binder symmetrisk to tre-lamineringsskiver op og ned, den piezoelektriske keramik af tre-lamineringsskiverne er forbundet i serie, og de øverste og nederste to tre-lamineringsskiver er forbundet i serie. Gennem parallelforbindelse kan denne struktur få hydrofonen til at vibrere symmetrisk, og den er nem at samle og fremstille.

 

2 Finite element simulering af hydrofon

COMSOL multifysiksimulerings finite element-software med akustisk-piezoelektrisk interaktionsmodul kan bruges til at analysere multifysiske problemer såsom væskestrukturkobling i planbølge eller sfærisk bølgelydfelt og kan direkte simulere arbejdsscenen for hydrofontransducer, der modtager lydbølger i vand. Og kan udtrække den tilsvarende spænding af den piezoelektriske keramiske overflade af hydrofonen for at beregne modtagefølsomheden. Denne artikel bruger COMSOL-software til at analysere og designe den buede hydrofon.

 

2.1 Finite element simuleringsmodel af hydrofon

Brug COMSOL multiphysics simuleringssoftware til at udføre finite element-analyse på den designede hydrofon. Først etablerer du den endelige element-model af hydrofonen, og ignorer bindingslaget mellem det piezoelektriske keramik og metallet, bindingslaget mellem metallerne og polyurethan-gummiet, der er indstøbt i det yderste lag i modelleringen. Etablering af en tredimensionel model af hydrofonen med lim og svejset elektrodetråde, vælg cpiemic-5 som PZT-5. duralumin, kobber eller stål som materiale til den midterste metalskive, og vælg kobber som materiale til den midterste metalring.

 

2.2 Forskning i hydrofonens vibrationstilstand

Ved at bruge COMSOL-software til at analysere hydrofonens karakteristiske frekvens kan du intuitivt få den karakteristiske frekvens og vibrationsforskydning af hydrofonens forskellige vibrationstilstande. Det skematiske diagram inkluderer den relative position af hver del af hydrofonen i hver vibrationstilstand. Disse analyseresultater hjælper til bedre at forstå hydrofonens arbejdsprincip. Vibrationen af ​​førsteordens vibrationstilstand af en hydrofon af en vis størrelse. Denne vibrationstilstand er den tilstand, når hydrofonen modtager lydbølger.

 

 

2.3 Strukturelt optimeringsdesign af hydrofon

Brug af COMSOL-software til at simulere og analysere hydrofonens arbejdsydelse i vandet. Du kan direkte etablere et vandområde med en radius på 0,05 m rundt om hydrofonen, og derefter indstille et plan lydbølgebaggrundsfelt med et lydtryk på 1 Pa i vandområdet for at simulere. Det faktiske arbejdsscenario for hydrofonen i vand, den etablerede undervandsmodel af hydrofonen er vist i figur 4. I COMSOL-analyseindstillingen vælger forskningstrinnet frekvensen af frekvensen, således at hele det simple harmoniske responssystem skal justeres, excitation kan analyseres, og spændingen exciteret af hydrofonen under påvirkning af lydbølger med forskellige frekvenser kan beregnes. Udtræk derefter spændingen på den piezoelektriske keramiske overflade af hydrofonen, og beregn det tilsvarende modtagende følsomhedsniveau for hydrofonen gennem en formel. Da hydrofonen arbejder i en åben kredsløbstilstand, er toppen af ​​hydrofonens modtagende følsomhed ved dens antiresonansfrekvens, og modtagefølsomhedsniveauet for en undervandshydrofon af en vis størrelse simuleres.

 

Det kan ses af simuleringsresultaterne, at den modtagende følsomhedsniveaukurve for hydrofonen med denne struktur er relativt flad i lavfrekvensbåndet. Dernæst vil vi studere de dimensionelle ændringer af hver del af hydrofonen og effekten af ​​antiresonansfrekvensen og det lavfrekvente modtagefølsomhedsniveau af hydrofonpåvirkningen. Tager man de geometriske parametre for PZT'en og metalskiverne i tri-stakken, og typen af ​​metalmaterialer som variable, tages størrelsen og fluktuationsgraden af ​​den designede hydrofons lydtryksmodtagelsesfølsomhedsniveau i lavfrekvensbåndet som mål, og hydrofonen udføres. Det optimerede design af hydrofonen stræber efter at gøre hydrofonens lydtryksmodtagende følsomhedsniveau i lavfrekvensbåndet så højt som muligt og udsvingene så små som muligt. Variablerne anvendt i simuleringsanalysen af ​​metoden med kontrolleret variabel er: 1) materialeegenskaberne af de tre laminerede metalskiver; 2) forholdet mellem PZT-radius og metalpladeradius; 3) forholdet mellem PZT-tykkelsen og tykkelsen af ​​metalpladen; 4) tykkelsen af ​​de tre laminerede plader af samme tykkelse sammenlignet med radius.

 

2.3.1 Typer af PZT og typer af metalplader

Skift typen af ​​metalskive i midten af ​​de tre lamineringer, og opnå anti-resonansfrekvensen og modtagefølsomhedsniveaukurven for hydrofonen i vand ved simuleringsberegning. Resultaterne er vist i tabel 1 og figur 6.

Det kan ses af tabel 1, at efterhånden som Youngs modul af det valgte metal gradvist stiger, øges antiresonansfrekvensen af ​​hydrofonen gradvist. Det kan ses af fig. 6, at når metalpladens Youngs modul gradvist øges, falder modtagefølsomhedsniveauet for hydrofonens lavfrekvensbånd gradvist.

 

2.3.2 Forholdet mellem PZT-radius og metalpladeradius

Hold tykkelsen af ​​PZT og den mellemliggende metalplade uændret, og tag radius af den mellemliggende metalplade som 20 mm. Når kun PZT-radius ændres, vises hydrofonens antiresonansfrekvens og modtagefølsomhedsniveaukurver i vandet i figur 7 og 8.

Det ses af fig. 7, at efterhånden som PZT'ens radius øges, øges antiresonansfrekvensen af ​​hydrofonen i vandet gradvist, og når den nærmer sig 20 mm, øges antiresonansfrekvensen næsten ikke. Figur 8 viser, at når PZT-radius bliver større, falder hydrofonens modtagefølsomhedsniveau i lavfrekvensbåndet gradvist, men graden af ​​fald er ikke stor, og udsvingene er mere flade. 2.3.3 Forholdet mellem PZT-tykkelse og metaltykkelse holder PZT og radius af den midterste metalplade uændret. Tykkelsen af ​​den midterste metalplade er 1 mm, og kun PZT-tykkelsen ændres. Antiresonansfrekvensen og modtagefølsomhedsniveaukurven for hydrofonen i vand er vist i figur 9 og 10.

 

Det kan ses af figur 9, at når tykkelsen af ​​PZT øges, øges antiresonansfrekvensen af ​​hydrofonen i vand gradvist. Når den når samme tykkelse som metalpladen på 1 mm, når anti-resonansfrekvensen maksimum, og PZT-tykkelsen fortsætter med at stige. Hydrofonens antiresonansfrekvens falder i stedet. Det kan ses af figur 10(a), at når tykkelsen af ​​PZT øges fra 0,2 mm til 0,5 mm, stiger hydrofonens modtagefølsomhedsniveau i lavfrekvensbåndet gradvist, og udsvingene bliver mere flade. Men når tykkelsen af ​​PZT er 0,4 mm, er situationen speciel, og det modtagende følsomhedsniveau af lavfrekvensbåndet falder pludselig; fra figur 10(b), kan det ses, at når tykkelsen af ​​PZT stiger fra 0,5 mm til 1,5 mm, falder hydrofonens lavfrekvente modtagende følsomhed. Niveauet falder gradvist, og udsvinget er næsten uændret.

 

2.3.4 Forholdet mellem tykkelse og radius af tre laminerede plader af samme tykkelse

Når tykkelsen af ​​metalpladen i mellemlaget er den samme som tykkelsen af ​​PZT'en, er den ækvivalente elektromekaniske koblingskoefficient for trelagspladen den største. Dernæst analyseres indflydelsen af ​​forholdet mellem tykkelse og radius af den trelagede plade af samme tykkelse på hydrofonens undervandsdrift. Hold tykkelsen og radius af de tre laminerede metalplader af samme tykkelse uændret, PZT-radius uændret, hold PZT'en og metaltykkelsen den samme, og skift kun tykkelsen af ​​PZT'en (metalpladen). Som vist i figur 11 og 12.

 

Det kan ses af figur 11, at når tykkelsen af ​​PZT (metalpladen) øges, øges antiresonansfrekvensen i hydrofonens vand gradvist. I figur 12, efterhånden som tykkelsen af ​​PZT (metalpladen) gradvist øges, falder hydrofonens modtagefølsomhedsniveau i lavfrekvensbåndet gradvist, og udsvingene bliver gradvist mindre.

 

2.3.5 Regularitetsanalyse

Responsændringsloven opnået i ovenstående optimeringsproces kan opsummeres som følger: 1) Efterhånden som Young's modul af den midterste metalskive gradvist øges, vil anti-resonansfrekvensen af undervandskommunikationshydrofonen bliver gradvist større, og det modtagende følsomhedsniveau for lavfrekvensbåndet bliver mindre og svinger. 2) Når forholdet mellem PZT og metalpladeradius bliver større, bliver hydrofonens antiresonansfrekvens i vand større, det modtagende følsomhedsniveau af lavfrekvensbåndet falder, og udsvinget bliver mindre; 3) Efterhånden som forholdet mellem PZT-tykkelsen og metalpladetykkelsen bliver større, stiger antiresonansfrekvensen af ​​hydrofonen i vandet først og falder derefter, når spidsværdien ved et forhold på 1, og det lavfrekvente modtagende følsomhedsniveau stiger først og falder derefter, når toppen med et forhold på ca. 4) osv. I det tykke tredobbelte laminat bliver forholdet mellem tykkelsen og radius af PZT'en (metalpladen) større, antiresonansfrekvensen af ​​hydrofonen i vand større, det modtagende følsomhedsniveau i lavfrekvensbåndet bliver mindre, og udsvinget bliver mindre. Generelt gælder det, at jo større transducerstørrelsen er, jo mindre er dens resonansfrekvens, og hydrofonens fundamentale resonansfrekvens stiger med forøgelsen af ​​PZT-radius eller -tykkelse. Dette skyldes, at hydrofonen bruger tre. Den bøjelige vibrationstilstand for det laminerede ark. Den væsentligste indflydelsesfaktor ved denne vibrationstilstand er triplexens stivhed. Når PZT-radius eller tykkelse øges, bliver stivheden af ​​hele triplexet større, så resonansen af ​​triplex bøjevibrationstilstanden Frekvensen vil blive større, hvilket gør hydrofonens resonansfrekvens større. Højden af ​​metalringen, der er fastspændt i midten af ​​hydrofonen, er meget mindre end diameteren af ​​den trelagede plade, og den deltager ikke i bøjningsvibrationen af ​​den trelagede plade, så virkningen på hydrofonen er lille.

 

2.4 Endeligt resultat

I henhold til ovennævnte indflydelseslov gennem strukturoptimering, og under hensyntagen til sværhedsgraden af ​​selve produktionsprocessen af ​​de forskellige dele af hydrofonen, bestemmes størrelsesparametrene for de forskellige dele af hydrofonen endeligt som vist i tabel 2. Brug COMSOL software til at simulere og beregne impedanskurven for hydrofonen i vand. Antiresonansfrekvensen er 5,2 kHz, som vist i figur 13.

 

 

 

 

Brug COMSOL-software til at simulere og beregne hydrofonens modtagefølsomhedsniveau i frekvensområdet 100 Hz til 6 kHz, som vist i figur 14.

Brug af COMSOL-software til at simulere og beregne hydrofonens modtagefølsomhedsniveau i frekvensområdet 100 Hz til 6 kHz, som vist i figur 14.

I lavfrekvensbåndet 100 Hz~2,5 kHz er hydrofonens modtagefølsomhedsniveau omkring -178 dB, og udsvinget er mindre end 3 dB, som vist i figur 15. Når lydbølgens bølgelængde er meget større end transducerens maksimale lineære skala, har transduceren ingen direkte transducerevne. I hydrofonens arbejdsfrekvensbånd er minimumsbølgelængden, når lydbølgefrekvensen er 2,5 kHz, 0,6 m, hvilket er 0,045 m større end hydrofonens maksimale størrelse, det kan anses for, at hydrofonen ikke har nogen retningsbestemmelse ved modtagelse af lydbølger.

 

3 Produktion og test af hydrofon

I henhold til de endelige strukturelle parametre for hydrofonen optimeret af COMSOL, blev de strukturelle komponenter behandlet, og hydrofonprototypen blev fremstillet, som vist i figur 16. Efter indstøbning er hydrofonens diameter 45 mm og tykkelsen er 12 mm.

Ydeevnetesten af ​​hydrofon blev udført i et lydløst bassin, størrelsen af ​​bassinet var 25 m × 16 m × 10 m, og sammenligningsmetoden blev brugt til måling, og en standard hydrofon (B&K 8105) blev brugt til sammenligningsmåling. Pulssignaltransmission er vedtaget, og afstanden mellem den transducerende transducer og standardhydrofonen er 1,5 m (der opfylder fjernfeltstilstanden), og den placeres langs poolens længde med en hængedybde på 4 m. Admittanskurven i vandet af prototypens hydrofon måles til sidst som vist i figur 17.

 

 

Det kan ses af figur 17, at antiresonansfrekvensen af ​​hydrofonprototypen er 3,3 kHz. På grund af begrænsningen af ​​den nedre grænse for lydbølgefrekvensen, at den anvendte transducer kun kan transmittere 500 Hz lydbølge, er den laveste frekvens af målevandsmodtagelsesfølsomhedsniveaukurven 500 Hz, som vist i figur 18.

Det kan ses af figur 18, at i frekvensbåndet 500 Hz ~ 2,5 kHz er hydrofonens modtagerfølsomhedsniveau højst -178 dB, og udsvinget er mindre end 4 dB. Forskellen mellem måleresultaterne og de simulerede resultater af hydrofonens anti-resonansfrekvens skyldes hovedsageligt, at overfladen af ​​hydrofonprototypen er indkapslet med et lag vandtæt polyurethan gummi med en tykkelse på 2 mm, hvilket vil øge den tilsvarende vibrationskvalitet af hydrofonen. Det er svært at simulere dette viskoelastiske materiale på COMSOL-simuleringssoftwaren. Samlingsnøjagtigheden af ​​de strukturelle dele og bindingsprocessen vil også have en vis indflydelse på hydrofonens ydeevne. Ovenstående to faktorer forårsager forskellen mellem de målte data og den endelige element-simuleringsværdi. . Sammenlign de målte data for det modtagende følsomhedsniveau i 500 Hz~2,5 kHz frekvensbåndet med simuleringsresultaterne, som vist i figur 19. I dette frekvensbånd er det målte maksimale modtagefølsomhedsniveau −178 dB, og udsvinget er mindre end 4 dB. De målte data og den simulerede værdi Tendensen er den samme, og de målte data svinger lidt større end den simulerede værdi.

Med hensyn til modtagefølsomhedstesten af ​​hydrofonen i forskellige azimut, blev hydrofonens aksiale og radiale modtagefølsomhedsniveauer testet hhv. Testresultaterne er vist i figur 20. Modtagelsesfølsomhedsniveauet er nogenlunde det samme, og det kan anses for, at hydrofonen ikke har nogen retningsbestemmelse i arbejdsfrekvensbåndet på 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Konklusion

1) Design og produktion af en lavfrekvent bøjningshydrofon. Målehydrofonen har et modtagefølsomhedsniveau på −178 dB i frekvensbåndet 500Hz−2,5 kHz, og udsvinget er mindre end 4 dB. 2.Den lille størrelse lavfrekvente bøjningshydrofon har indset egenskaberne ved at modtage lydbølger med højere følsomhed, hvilket har vejledende betydning for anvendelsen af ​​bøjningsskivestrukturen i hydrofonen.