تحقیق در مورد هیدروفون منحنی فرکانس پایین

به منظور دریافت امواج صوتی با فرکانس پایین با حساسیت بالا، یک هیدروفون خمشی سه لایه دو طرفه با استفاده از نرم افزار المان محدود COMSOL برای شبیه سازی و طراحی بهینه سازی هیدروفون منحنی مورد مطالعه قرار گرفت. تأثیر هر بخش بر درجه حساسیت دریافتی هیدروفون برای ارائه طرح بهینه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در نهایت یک نمونه اولیه هیدروفون تولید کردیم و آن را در آب آزمایش کردیم. حداکثر اندازه نمونه اولیه هیدروفون 45 میلی متر بود. نتایج آزمایش نشان می‌دهد که در محدوده فرکانس دریافت 500 هرتز-2.5 کیلوهرتز، حداکثر درجه حساسیت فشار دریافتی 178- دسی‌بل بود که موجی کمتر از 4 دسی‌بل بود. نتیجه آزمایش همانند شبیه سازی است.

 

به عنوان یک دستگاه دریافت سیگنال مبدل صوتی زیر آب ، هیدروفون فشار صدا را می توان برای ثبت تغییرات ظریف در سیگنال های فشار صوتی زیر آب، تولید ولتاژ خروجی متناسب با فشار صدا و تبدیل انرژی صوتی به سیگنال های الکتریکی که مشاهده آن آسان است، استفاده کرد. با این حال، هیدروفون‌های با فرکانس پایین و با حساسیت بالا اغلب اندازه نسبتاً بزرگی دارند. ساختار دیسک سه پشته ای مبدل، حالت ارتعاش خمشی بر ارتعاش غالب است، دارای ویژگی های فرکانس رزونانس کم، اندازه کوچک، ساختار ساده و غیره است. با این حال، در کاربرد دیسک سه پشته، بیشتر بر روی مبدل فرستنده یا هیدروفون بردار و کمتر در هیدروفون فشار آکوستیک استفاده می شود. نقطه ضعف هیدروفون های خمشی فرکانس پایین این است که باند فرکانس کاری بسیار باریک است، اما مانند هیدروفون های تجاری موجود، پهنای باند بسیار گسترده است، اما سطح حساسیت بالا نیست. در صورت نیاز به دریافت امواج صوتی فقط در یک باند فرکانس پایین خاص، لایه‌بندی‌ها خم می‌شوند. این مقاله قصد دارد یک هیدروفون منحنی سه لایه طراحی کند که از اندازه کوچک و نقطه تشدید کم دیسک سه لمینیتی بهره می‌برد و فرم طراحی اتصال دو دیسک سه لمینیت بالا و پایین را به صورت موازی اتخاذ کرده و فرکانس اساسی را از طریق بهینه‌سازی اندازه تنظیم می‌کند. موقعیت نقطه رزونانس برای ایجاد یک هیدروفون با اندازه کوچک با پاسخ حساسیت بالا در باند فرکانس پایین استفاده می شود.

 

 

1 طراحی هیدروفون منحنی سه لایه

هیدروفون خمشی سه لمینیتی، قسمت میانی یک حلقه فلزی است، حلقه فلزی به صورت متقارن دو دیسک سه لمینیتی را به بالا و پایین متصل می کند، سرامیک های پیزوالکتریک دیسک های سه لمینیتی به صورت سری و دو دیسک سه لمینیتی بالا و پایین به صورت سری به هم متصل می شوند. از طریق اتصال موازی، این ساختار می تواند هیدروفون را به صورت متقارن به ارتعاش درآورد و مونتاژ و ساخت آن آسان است.

 

2 شبیه سازی المان محدود هیدروفون

نرم‌افزار المان محدود شبیه‌سازی چندفیزیکی COMSOL، با ماژول برهمکنش آکوستیک-پیزوالکتریک، می‌تواند برای تحلیل مسائل چندفیزیکی مانند جفت شدن ساختار سیال در موج صفحه یا میدان صوتی موج کروی استفاده شود و می‌تواند به طور مستقیم صحنه کار را شبیه‌سازی کند. مبدل هیدروفون که امواج صوتی را در آب دریافت می کند. و می تواند ولتاژ مربوطه سطح سرامیکی پیزوالکتریک هیدروفون را برای محاسبه حساسیت دریافت کننده استخراج کند. این مقاله از نرم افزار COMSOL برای تجزیه و تحلیل و طراحی هیدروفون منحنی استفاده می کند.

 

2.1 مدل شبیه سازی المان محدود هیدروفون

برای انجام آنالیز اجزای محدود بر روی هیدروفون طراحی شده از نرم افزار شبیه سازی مولتیفیزیک COMSOL استفاده کنید. ابتدا مدل المان محدود هیدروفون را ایجاد کنید و لایه پیوند بین سرامیک پیزوالکتریک و فلز، لایه پیوند بین فلزات و لاستیک پلی اورتان گلدانی در بیرونی ترین لایه را در مدل سازی نادیده بگیرید. ایجاد یک مدل سه بعدی از هیدروفون با چسب و سیم های جوش داده شده PREMELEZEZ. مواد، دورالومین، مس یا فولاد را به عنوان ماده برای دیسک فلزی میانی و مس را به عنوان ماده حلقه فلزی میانی انتخاب کنید.

 

2.2 تحقیق در مورد حالت ارتعاش هیدروفون

با استفاده از نرم افزار COMSOL برای تجزیه و تحلیل فرکانس مشخصه هیدروفون، می توانید به طور مستقیم فرکانس مشخصه و جابجایی ارتعاش حالت های مختلف ارتعاش هیدروفون را بدست آورید. نمودار شماتیک شامل موقعیت نسبی هر قسمت از هیدروفون در هر حالت ارتعاشی است. این نتایج آنالیز به درک بهتر اصل کار هیدروفون کمک می کند. ارتعاش حالت ارتعاش مرتبه اول یک هیدروفون با اندازه معین. این حالت ارتعاشی حالتی است که هیدروفون امواج صوتی را دریافت می کند.

 

 

2.3 طراحی بهینه سازی ساختاری هیدروفون

استفاده از نرم افزار COMSOL برای شبیه سازی و تجزیه و تحلیل عملکرد کاری هیدروفون در آب. شما می توانید مستقیماً یک منطقه آبی با شعاع 0.05 متر در اطراف هیدروفون ایجاد کنید، و سپس یک میدان پس زمینه موج صوتی صفحه با فشار صوتی 1 Pa را در ناحیه آب تنظیم کنید تا سناریوی کار واقعی هیدروفون در آب، مدل زیر آب تاسیس شده هیدروفون در شکل 4 نشان داده شده است. تحریک هارمونیک را می توان آنالیز کرد و ولتاژ برانگیخته شده توسط هیدروفون تحت تأثیر امواج صوتی با فرکانس های مختلف را می توان محاسبه کرد. سپس ولتاژ روی سطح سرامیکی پیزوالکتریک هیدروفون را استخراج کرده و سطح حساسیت دریافتی هیدروفون مربوطه را از طریق یک فرمول محاسبه کنید. از آنجایی که هیدروفون در حالت مدار باز کار می کند، اوج حساسیت دریافتی هیدروفون در فرکانس ضد تشدید آن است و سطح حساسیت دریافتی یک هیدروفون زیر آب با اندازه معین شبیه سازی شده است.

 

از نتایج شبیه سازی می توان دریافت که منحنی سطح حساسیت دریافتی هیدروفون با این ساختار در باند فرکانس پایین نسبتاً مسطح است. در ادامه تغییرات ابعادی هر قسمت از هیدروفون و تأثیر فرکانس ضد رزونانس و سطح حساسیت دریافت فرکانس پایین هیدروفون را بررسی خواهیم کرد. با در نظر گرفتن پارامترهای هندسی PZT و دیسک های فلزی در سه پشته و نوع مواد فلزی به عنوان متغیر، اندازه و درجه نوسان سطح حساسیت دریافت فشار صوتی هیدروفون طراحی شده در باند فرکانس پایین به عنوان هدف در نظر گرفته شده و هیدروفون انجام می شود. طراحی بهینه هیدروفون تلاش می کند تا سطح حساسیت دریافت کننده فشار صوتی هیدروفون را در باند فرکانس پایین تا حد امکان بالا و نوسانات را تا حد امکان کم کند. متغیرهای مورد استفاده در تحلیل شبیه سازی روش متغیر کنترل شده عبارتند از: 1) خواص مواد سه دیسک فلزی چند لایه. 2) نسبت شعاع PZT به شعاع ورق فلزی؛ 3) نسبت ضخامت PZT به ضخامت ورق فلزی؛ 4) ضخامت سه ورق چند لایه با ضخامت برابر در مقایسه با شعاع.

 

2.3.1 انواع PZT و انواع ورق های فلزی

نوع دیسک فلزی وسط سه لایه را تغییر دهید و با محاسبه شبیه سازی فرکانس ضد رزونانس و منحنی سطح حساسیت دریافتی هیدروفون را در آب بدست آورید. نتایج در جدول 1 و شکل 6 نشان داده شده است.

از جدول 1 می توان دریافت که با افزایش تدریجی مدول یانگ فلز انتخاب شده، فرکانس ضد تشدید هیدروفون به تدریج افزایش می یابد. از شکل 6 می توان دریافت که با افزایش تدریجی مدول یانگ ورق فلزی، سطح حساسیت دریافتی باند فرکانس پایین هیدروفون به تدریج کاهش می یابد.

 

2.3.2 نسبت شعاع PZT به شعاع ورق فلزی

ضخامت PZT و ورق فلزی میانی را بدون تغییر نگه دارید و شعاع ورق فلزی میانی را 20 میلی متر در نظر بگیرید. هنگامی که فقط شعاع PZT تغییر می کند، فرکانس ضد تشدید هیدروفون و منحنی های سطح حساسیت دریافتی در آب در شکل های 7 و 8 نشان داده شده است.

از شکل 7 می توان دریافت که با افزایش شعاع PZT، فرکانس ضد رزونانس هیدروفون در آب به تدریج افزایش می یابد و هنگامی که به 20 میلی متر نزدیک می شود، فرکانس ضد تشدید به سختی افزایش می یابد. شکل 8 نشان می دهد که با بزرگتر شدن شعاع PZT، سطح حساسیت دریافتی هیدروفون در باند فرکانس پایین به تدریج کاهش می یابد، اما درجه کاهش زیاد نیست و نوسانات مسطح تر هستند. 2.3.3 نسبت ضخامت PZT به ضخامت فلز PZT و شعاع ورق فلزی میانی را بدون تغییر نگه می دارد. ضخامت ورق فلزی وسط 1 میلی متر است و فقط ضخامت PZT تغییر می کند. فرکانس ضد رزونانس و منحنی سطح حساسیت دریافتی هیدروفون در آب در شکل 9 و 10 نشان داده شده است.

 

از شکل 9 می توان دریافت که با افزایش ضخامت PZT، فرکانس ضد تشدید هیدروفون در آب به تدریج افزایش می یابد. هنگامی که به همان ضخامت ورق فلزی 1 میلی متر می رسد، فرکانس ضد رزونانس به حداکثر می رسد و ضخامت PZT همچنان افزایش می یابد. فرکانس ضد رزونانس هیدروفون به جای آن کاهش می یابد. از شکل 10(a) می توان دید که با افزایش ضخامت PZT از 0.2 میلی متر به 0.5 میلی متر، سطح حساسیت دریافتی هیدروفون در باند فرکانس پایین به تدریج افزایش می یابد و نوسانات صاف تر می شوند. با این حال، هنگامی که ضخامت PZT 0.4 میلی متر است، وضعیت خاص است و سطح حساسیت دریافت باند فرکانس پایین به طور ناگهانی کاهش می یابد. از شکل 10 (ب)، می توان دید که وقتی ضخامت PZT از 0.5 میلی متر به 1.5 میلی متر افزایش می یابد، حساسیت دریافت فرکانس پایین هیدروفون سطح به تدریج کاهش می یابد و نوسان تقریباً بدون تغییر است.

 

2.3.4 نسبت ضخامت به شعاع سه ورق چند لایه با ضخامت مساوی

هنگامی که ضخامت ورق فلزی در لایه میانی با ضخامت PZT برابر باشد، ضریب جفت الکترومکانیکی معادل ورق سه لایه بزرگترین است. در مرحله بعد، تأثیر نسبت ضخامت به شعاع ورق سه لایه با ضخامت مساوی بر عملکرد زیر آب هیدروفون تحلیل می‌شود. ضخامت و شعاع سه ورق فلزی لمینت شده با ضخامت مساوی، شعاع PZT را بدون تغییر، PZT و ضخامت فلز را ثابت نگه دارید و فقط ضخامت PZT (ورق فلزی) را تغییر دهید. همانطور که در شکل های 11 و 12 نشان داده شده است.

 

از شکل 11 می توان دریافت که با افزایش ضخامت PZT (ورق فلزی)، فرکانس ضد تشدید در آب هیدروفون به تدریج افزایش می یابد. در شکل 12، با افزایش تدریجی ضخامت PZT (ورق فلزی)، سطح حساسیت دریافتی هیدروفون در باند فرکانس پایین به تدریج کاهش می یابد و نوسانات به تدریج کوچکتر می شوند.

 

2.3.5 تجزیه و تحلیل منظم

قانون تغییر پاسخ به دست آمده در فرآیند بهینه سازی فوق را می توان به صورت زیر خلاصه کرد: 1) با افزایش تدریجی مدول یانگ دیسک فلزی میانی، فرکانس ضد تشدید هیدروفون ارتباطات زیر آب به تدریج بزرگتر می شود و سطح حساسیت دریافت باند فرکانس پایین کوچکتر می شود و در نوسان است. 2) با بزرگتر شدن نسبت PZT به شعاع ورق فلزی، فرکانس ضد تشدید هیدروفون در آب بزرگتر می شود، سطح حساسیت دریافتی باند فرکانس پایین کاهش می یابد و نوسان کوچکتر می شود. 3) با بزرگتر شدن نسبت ضخامت PZT به ضخامت ورق فلزی، فرکانس ضد تشدید هیدروفون در آب ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد و در نسبت 1 به مقدار پیک می‌رسد و سطح حساسیت دریافتی فرکانس پایین ابتدا افزایش می‌یابد و سپس کاهش می‌یابد و به تدریج در نسبت فرکانس 0-5 کاهش می‌یابد. 4) و غیره در لمینت سه گانه ضخیم، با بزرگتر شدن نسبت ضخامت به شعاع PZT (ورق فلزی)، فرکانس ضد تشدید هیدروفون در آب بزرگتر می شود، سطح حساسیت دریافتی در باند فرکانس پایین کوچکتر می شود و نوسان کمتر می شود. به طور کلی، هرچه اندازه مبدل بزرگتر باشد، فرکانس تشدید آن کوچکتر است و فرکانس تشدید اساسی هیدروفون با افزایش شعاع یا ضخامت PZT افزایش می یابد. این به این دلیل است که هیدروفون از سه حالت ارتعاش خمشی ورق چند لایه استفاده می کند. عامل اصلی تأثیرگذار در این حالت ارتعاش، سختی تریپلکس است. هنگامی که شعاع یا ضخامت PZT افزایش می یابد، سفتی کل تریپلکس بیشتر می شود، بنابراین رزونانس حالت ارتعاش خمشی تریپلکس فرکانس بزرگتر می شود و فرکانس تشدید هیدروفون بزرگتر می شود. ارتفاع حلقه فلزی گیره شده در وسط هیدروفون بسیار کمتر از قطر ورق سه لایه است و در لرزش خمشی ورق سه لایه شرکت نمی کند، بنابراین ضربه به هیدروفون کم است.

 

2.4 نتیجه نهایی

با توجه به قانون تاثیر فوق الذکر از طریق بهینه سازی سازه و با در نظر گرفتن سختی فرآیند تولید واقعی قطعات مختلف هیدروفون، در نهایت پارامترهای اندازه قسمت های مختلف هیدروفون مطابق جدول 2 تعیین می شود. برای شبیه سازی و محاسبه منحنی امپدانس هیدروفون در آب از نرم افزار COMSOL استفاده کنید. فرکانس ضد رزونانس همانطور که در شکل 13 نشان داده شده است 5.2 کیلوهرتز است.

 

 

 

 

همانطور که در شکل 14 نشان داده شده است، از نرم افزار COMSOL برای شبیه سازی و محاسبه سطح حساسیت دریافتی هیدروفون در محدوده فرکانسی 100 هرتز تا 6 کیلوهرتز استفاده کنید.

با استفاده از نرم افزار COMSOL برای شبیه سازی و محاسبه سطح حساسیت دریافتی هیدروفون در محدوده فرکانس 100 هرتز تا 6 کیلوهرتز، همانطور که در شکل 14 نشان داده شده است.

در باند فرکانس پایین 100 هرتز ~ 2.5 کیلوهرتز، سطح حساسیت دریافتی هیدروفون حدود -178 دسی بل است و نوسان کمتر از 3 دسی بل است، همانطور که در شکل 15 نشان داده شده است. هنگامی که طول موج موج صوتی بسیار بزرگتر از حداکثر مقیاس خطی مبدل باشد، ترانسدیوسر مستقیماً ندارد. در باند فرکانس کاری هیدروفون حداقل طول موج زمانی که فرکانس موج صوتی 2.5 کیلوهرتز است 0.6 متر است که 0.045 متر از حداکثر اندازه هیدروفون بزرگتر است، می توان در نظر گرفت که هیدروفون در هنگام دریافت امواج صوتی هیچ جهت گیری ندارد.

 

3 تولید و آزمایش هیدروفون

با توجه به پارامترهای ساختاری نهایی هیدروفون بهینه شده توسط COMSOL، اجزای ساختاری پردازش و نمونه اولیه هیدروفون ساخته شد، همانطور که در شکل 16 نشان داده شده است. پس از گلدان، قطر هیدروفون 45 میلی متر و ضخامت آن 12 میلی متر است.

تست عملکرد هیدروفون در یک استخر آنکوئیک انجام شد که اندازه حوضچه 25 متر × 16 متر × 10 متر بود و از روش مقایسه برای اندازه گیری استفاده شد و از هیدروفون استاندارد (B&K 8105) برای اندازه گیری مقایسه استفاده شد. انتقال سیگنال پالس پذیرفته شده است و فاصله بین مبدل فرستنده و هیدروفون استاندارد 1.5 متر است (که شرایط میدان دور را برآورده می کند) و در امتداد طول استخر با عمق آویزان 4 متر قرار می گیرد. منحنی پذیرش در آب نمونه اولیه هیدروفون در نهایت همانطور که در شکل 17 نشان داده شده است اندازه گیری می شود.

 

 

از شکل 17 می توان دریافت که فرکانس ضد تشدید نمونه اولیه هیدروفون 3.3 کیلوهرتز است. با توجه به محدودیت حد پایین فرکانس موج صوتی که مبدل فرستنده مورد استفاده فقط می تواند موج صوتی 500 هرتز را ارسال کند، کمترین فرکانس منحنی سطح حساسیت دریافت کننده آب اندازه گیری 500 هرتز است، همانطور که در شکل 18 نشان داده شده است.

از شکل 18 می توان دید که در باند فرکانسی 500 هرتز ~ 2.5 کیلوهرتز، سطح حساسیت گیرنده هیدروفون حداکثر 178- دسی بل و نوسان کمتر از 4 دسی بل است. تفاوت بین نتایج اندازه گیری و شبیه سازی شده فرکانس ضد رزونانس هیدروفون عمدتاً به این دلیل است که سطح نمونه اولیه هیدروفون با لایه ای از لاستیک پلی اورتان ضد آب با ضخامت 2 میلی متر گلدان شده است که باعث افزایش کیفیت ارتعاش معادل هیدروفون خواهد شد. شبیه سازی این ماده ویسکوالاستیک در نرم افزار شبیه سازی COMSOL دشوار است. دقت مونتاژ قطعات ساختاری و فرآیند اتصال نیز تأثیر خاصی بر عملکرد هیدروفون خواهد داشت. دو عامل فوق باعث تفاوت بین داده های اندازه گیری شده و مقدار شبیه سازی المان محدود می شوند. . داده های اندازه گیری شده سطح حساسیت دریافت کننده در باند فرکانسی 500 هرتز ~ 2.5 کیلوهرتز را با نتایج شبیه سازی مقایسه کنید، همانطور که در شکل 19 نشان داده شده است. در این باند فرکانسی، حداکثر سطح حساسیت دریافتی اندازه گیری شده 178- دسی بل و نوسان کمتر از 4 دسی بل است. داده های اندازه گیری شده و مقدار شبیه سازی شده روند یکسان است و داده های اندازه گیری شده اندکی بزرگتر از مقدار شبیه سازی شده نوسان دارند.

با توجه به تست حساسیت دریافتی هیدروفون در آزیموت های مختلف، سطوح حساسیت دریافتی محوری و شعاعی هیدروفون مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج آزمایش در شکل 20 نشان داده شده است. سطح حساسیت دریافتی تقریباً یکسان است و می توان در نظر گرفت که هیدروفون هیچ جهتی در باند فرکانس کاری 500 هرتز تا 2.5 کیلوهرتز ندارد.

4 نتیجه گیری

1) طراحی و تولید هیدروفون خمشی با فرکانس پایین. هیدروفون اندازه‌گیری دارای سطح حساسیت دریافتی -178 دسی‌بل در باند فرکانسی 500 هرتز-2.5 کیلوهرتز است و نوسان آن کمتر از 4 دسی‌بل است. 2. هیدروفون خمشی با فرکانس پایین کوچک ویژگی های دریافت امواج صوتی با حساسیت بالاتر را درک کرده است که برای کاربرد ساختار دیسک خمشی در هیدروفون اهمیت راهبری دارد.