سنسور هیدروفون دایره ای تک جهتی

                                

مقدمه

 

هیدروفون دایره ای نوع متداول هیدروفون است که عموماً در باندهای فرکانس پایین استفاده می شود. دارای ویژگی های پاسخ فرکانس مسطح، اندازه کوچک، حساسیت شتاب کم، عدم جهت دهی و سازگاری خوب است. یک طرفه سنسور هیدروفون دایره ای معرفی شده در این مقاله از یک لوله سرامیکی دو قطبی و یک لوله سرامیکی تک قطبی ساخته شده است. سیگنال دریافتی توسط دوقطبی تغییر فاز داده و تقویت می‌شود و سپس سیگنال با سنتز تک قطبی دریافت می‌شود تا یک جهت قلبی شکل ایجاد کند. هیدروفون دایره ای یک جهته از نظر اندازه کوچک و وزن سبک است. به عنوان عنصر پیزو یک آرایه گیرنده بزرگ، می تواند به طور موثر وزن آرایه را کاهش دهد. به خصوص هنگامی که در یک آرایه منسجم استفاده می شود، می تواند به عنوان یک بافل صدای مجازی عمل کند و تشخیص دهد. بندر و بندر متمایز هستند.

 

1 تحلیل نظری

نمودار شماتیک هیدروفون دایره ای تک جهتی در شکل 1 نشان داده شده است. مشاهده می شود که هیدروفون لوله دایره ای یک جهته از جهت طبیعی دوقطبی و جهت دهی همه جهته تک قطبی برای سنتز جهت گیری کاردیوئید استفاده می کند.

 

در باند فرکانس پایین، اختلاف فاز بین حالت ارتعاش تک قطبی و حالت ارتعاش دوقطبی لوله سرامیکی پیزو با همان اندازه 90 درجه است، بنابراین لوله سرامیکی دو قطبی را می توان برای فاز 90 درجه جبران کرد. در عین حال، در بزرگی سیگنال دریافتی بین این دو تفاوت وجود دارد، بنابراین دامنه دوقطبی باید تقویت شود تا امواج صوتی فرودی در جهت 180 درجه یکدیگر را خنثی کنند و جهت هیدروفون به شکل قلب باشد.

 

2 شبیه سازی المان محدود هیدروفون یک طرفه

از نرم افزار شبیه سازی المان محدود ANSYS برای ساخت مدل هیدروفون استفاده کنید. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، رنگ آبی یک دوقطبی، قرمز یک تک قطبی و صورتی یک ناحیه آبی است. استفاده از مرزهای متقارن می تواند مدل را ساده کند و فقط نیاز به ساخت مدل 1/2 دارد. مواد سرامیکی پیزوالکتریک PZT-5 است، اندازه آن φ20mm×φ18mm×10mm است، فرکانس تشدید آن در 48kHz است.

با توجه به تحلیل نظری، ابتدا فاز و حساسیت دریافت سیگنال های دریافت کننده تک قطبی و دوقطبی را محاسبه کنید و نتایج در شکل 3 و شکل 4 نشان داده شده است. مشاهده می شود که در باند فرکانس پایین، اختلاف فاز بین تابش تک قطبی و دوقطبی حدود 90 درجه و با نوسانات 2.5 درجه است. منحنی تغییر تفاوت حساسیت. این خط دارای حداقل شیب حدود 6 کیلوهرتز است. بر این اساس، فرکانس کاری مرکز را می توان در حدود 6 کیلوهرتز تنظیم کرد، تغییر فاز دوقطبی 90 درجه و جبران دامنه 10 برابر است.

با توجه به جابجایی فاز و جبران دامنه محاسبه شده در بالا، لوله دایره ای یک جهته شبیه سازی و محاسبه شده است و نمودار جهت دهی در شکل 5 نشان داده شده است. می توان دید که هیدروفون بهترین جهت قلب شکل را در 6 کیلوهرتز دارد. در محدوده 4 کیلوهرتز ~ 12 کیلوهرتز، تفاوت تابش قبل و بعد از هیدروفون بالای 10 دسی بل، می توان در نظر گرفت که هیدروفون یک جهته است و می تواند جلو و عقب را تشخیص دهد.

3 ساخت و آزمایش هیدروفون لوله دایره ای یک طرفه

با توجه به نتایج محاسبات شبیه سازی، تصویر واقعی یک هیدروفون لوله دایره ای یک جهته در 6 نشان داده شده است.

در حوضچه anechoic اندازه گیری کنید، از برد اکتساب برای اکتساب داده ها استفاده کنید و از Matlab برای پردازش داده های به دست آمده با توجه به تغییر فاز و جبران دامنه به دست آمده توسط شبیه سازی استفاده کنید. نمودار جهت گیری به دست آمده در 7 نشان داده شده است.

داده‌های نمودار جهتی 4 کیلوهرتز تا 12 کیلوهرتز اندازه‌گیری شده در لوله دایره‌ای یک جهته اساساً با شبیه‌سازی مطابقت دارد، اما تفاوت تشعشعات جلو و عقب کمی کوچک‌تر از نتیجه شبیه‌سازی است که ناشی از جهت دهی دوقطبی بزرگ و کوچک رقم هشت است. این تست یک طرفه بودن را تایید می کند سنسور هیدروفون لوله دایره ای عملکرد یک طرفه باند وسیع دارد. به عنوان یک عنصر آرایه گیرنده، این قابلیت را دارد که بین سمت راست و سمت راست تمایز قائل شود.

 

4 نتیجه گیری

در این مقاله یک لوله دایره ای یک طرفه طراحی شده است. با استفاده از اصل سنتز جهت دهی تک قطبی و دوقطبی، جبران فاز و تقویت دامنه روی دوقطبی انجام می شود و تک جهتی در باند فرکانسی 4 کیلوهرتز تا 12 کیلوهرتز به دست می آید. در نهایت امتحان را با موفقیت پشت سر می گذارد. امکان این نوع هیدروفون تایید شده است و چشم انداز عملی خاصی دارد. گام بعدی بهبود تولید لوله دوقطبی، بهینه سازی حساسیت هیدروفون و گسترش باند فرکانس کاری است.