Matalataajuisen kaarevan hydrofonin tutkimus

Matalataajuisten ääniaaltojen vastaanottamiseksi korkealla herkkyydellä tutkittiin kaksipuolinen kolmilaminoitu taivutushydrofoni soveltaen elementtiohjelmistoa COMSOL kaarevan hydrofonin simulointi- ja optimointisuunnitteluun. Jokaisen osan vaikutus hydrofonin vastaanottoherkkyysluokkaan analysoitiin optimaalisen kaavion saamiseksi. Lopuksi teimme hydrofonin prototyypin ja testasimme sitä vedessä. Hydrofonin prototyypin enimmäiskoko oli 45 mm. Kokeilutulokset osoittavat, että vastaanottotaajuusalueella 500 Hz−2,5 kHz maksimi vastaanottopaineherkkyysaste oli −178 dB, aaltoilemalla alle 4 dB. Kokeen tulos on sama kuin simulaation tulos.

 

Kuten an vedenalainen akustinen muunnin signaalin vastaanottolaite, äänenpainehydrofonilla voidaan vangita hienovaraisia ​​muutoksia vedenalaisissa äänenpainesignaaleissa, jolloin syntyy äänenpaineeseen verrannollinen jännitelähtö ja muuntaa äänienergia helposti havaittaviksi sähköisiksi signaaleiksi, Kaikujärjestelmän normaalin toiminnan avainvarusteet ovat välttämättömiä ja välttämättömiä laitteita vedenalaisessa akustisessa tutkimuksessa. Nykyiset matalataajuiset, erittäin herkät hydrofonit ovat kuitenkin usein suhteellisen suuria. Anturin kolmipinoinen levyrakenne, taivutusvärähtelytila ​​hallitsee värähtelyä, sillä on alhaisen resonanssitaajuuden, pienen koon, yksinkertaisen rakenteen ja niin edelleen ominaisuudet. Kolmipinoisen levyn sovelluksessa sitä käytetään kuitenkin enemmän lähettävässä muuntimessa tai vektorihydrofonissa ja vähemmän akustisessa painehydrofonissa. Matalataajuisten taivutushydrofonien haittana on, että toimintataajuuskaista on hyvin kapea, mutta kuten kaupallisesti saatavilla olevissa hydrofoneissa, kaistanleveys on erittäin laaja, mutta herkkyystaso ei ole korkea. Jos ääniaaltoja tarvitaan vain tietyllä matalataajuuskaistalla, laminaatit taivutetaan. Strukturoidun rakenteen omaavan hydrofonin etuna on korkea herkkyystaso ja käyttöarvoa. Tämän julkaisun tarkoituksena on suunnitella kolmilaminaattinen kaareva hydrofoni, joka hyödyntää kolmilaminointilevyn pientä kokoa ja alhaista resonanssipistettä ja ottaa käyttöön suunnittelumuodon, jossa kaksi ylempää ja alempaa kolmilaminointilevyä yhdistetään rinnakkain ja säätää perustaajuutta koon optimoinnin avulla. Resonanssipisteen sijaintia käytetään pienikokoisen hydrofonin toteuttamiseen, jolla on korkea herkkyysvaste matalalla taajuuskaistalla.

 

 

1 Kolmilaminoidun kaarevan hydrofonin muotoilu

Kolmilaminoitu taivutushydrofoni, keskiosa on metallirengas, metallirengas liittää symmetrisesti kaksi kolmilaminointilevyä ylös ja alas, kolmen laminointilevyn pietsosähköinen keramiikka on kytketty sarjaan ja ylempi ja alempi kaksi kolmilaminointilevyä on kytketty sarjaan. Rinnakkaisliitännän kautta tämä rakenne voi saada hydrofonin värähtelemään symmetrisesti, ja se on helppo koota ja valmistaa.

 

2 Hydrofonin elementtisimulaatio

COMSOL-monifysikaalista äärelliselementtiohjelmistoa, jossa on akustinen-pietsosähköinen vuorovaikutusmoduuli, voidaan käyttää monifysiikan ongelmien analysoimiseen, kuten nesterakenteen kytkentä tasoaalto- tai palloaaltoäänikentässä, ja se voi simuloida suoraan hydrofonimuunnin, joka vastaanottaa ääniaaltoja vedessä. Ja voi erottaa vastaavan jännitteen hydrofonin pietsosähköisestä keraamisesta pinnasta laskeakseen vastaanottoherkkyyden. Tässä artikkelissa käytetään COMSOL-ohjelmistoa kaarevan hydrofonin analysointiin ja suunnitteluun.

 

2.1 Hydrofonin elementtisimulaatiomalli

Käytä COMSOL-monifysiikan simulointiohjelmistoa elementtien analyysin suorittamiseen suunnitellulle hydrofonille. Ensin määritetään hydrofonin elementtimalli ja jätä huomioimatta pietsosähköisen keramiikan ja metallin välinen sidoskerros, metallien välinen sidekerros ja uloimpaan kerrokseen laitettu polyuretaanikumi. Luodaan kolmiulotteinen hydrofonin malli liimalla ja hitsatulla elektrodilangalla. valitse keskimmäisen metallilevyn materiaaliksi duralumiini, kupari tai teräs ja keskimmäisen metallirenkaan materiaaliksi kupari.

 

2.2 Hydrofonin värähtelytilan tutkimus

Käyttämällä COMSOL-ohjelmistoa analysoimaan hydrofonin ominaistaajuutta, voit intuitiivisesti saada hydrofonin eri värähtelytilojen ominaistaajuuden ja värähtelysiirtymän. Kaaviokaavio sisältää hydrofonin kunkin osan suhteellisen sijainnin kussakin värähtelytilassa. Nämä analyysitulokset auttavat ymmärtämään paremmin hydrofonin toimintaperiaatetta. Tietyn kokoisen hydrofonin ensimmäisen asteen värähtelytilan värähtely. Tämä värinätila on tila, jossa hydrofoni vastaanottaa ääniaaltoja.

 

 

2.3 Hydrofonin rakenteellisen optimoinnin suunnittelu

COMSOL-ohjelmiston avulla simuloidaan ja analysoidaan hydrofonin toimintakykyä vedessä. Voit määrittää suoraan vesialueen, jonka säde on 0,05 m hydrofonin ympärille, ja sitten asettaa vesialueelle tasoääniaallon taustakentän äänenpaineella 1 Pa simuloidaksesi hydrofonin varsinaista toimintaskenaariota vedessä, hydrofonin vakiintunut vedenalainen malli on esitetty kuvassa 4. COMSOL-analyysiasetuksissa tutkimusvaiheessa valitaan taajuusalue, jonka kohteena oleva harmoninen systeemi on yksinkertainen, jolloin vaste on yksinkertainen suoraviivainen. analysoidaan ja voidaan laskea hydrofonin virittämä jännite eritaajuisten ääniaaltojen vaikutuksesta. Poimi sitten jännite hydrofonin pietsosähköisestä keraamisesta pinnasta ja laske kaavan avulla vastaava hydrofonin vastaanottoherkkyystaso. Koska hydrofoni toimii avoimessa tilassa, hydrofonin vastaanottoherkkyyden huippu on sen antiresonanssitaajuudella ja vastaanottoherkkyystasolla. Tietyn kokoinen vedenalainen hydrofoni simuloidaan.

 

Simulaatiotuloksista voidaan nähdä, että tämän rakenteen omaavan hydrofonin vastaanottoherkkyyskäyrä on suhteellisen tasainen matalataajuuskaistalla. Seuraavaksi tutkimme hydrofonin kunkin osan mittamuutoksia sekä hydrofonin antiresonanssitaajuuden ja matalataajuisen vastaanottoherkkyystason vaikutusta. Ottaen PZT:n ja kolmipinon metallilevyjen geometriset parametrit ja metallimateriaalien tyypin muuttujiksi tavoitteeksi suunnitellun hydrofonin äänenpaineen vastaanottoherkkyystason koko ja vaihteluaste matalataajuuskaistalla, ja hydrofoni toteutetaan. Hydrofonin optimoidulla suunnittelulla pyritään tekemään matalan taajuuskaistan hydrofonin äänenpaineen vastaanottoherkkyystaso mahdollisimman korkeaksi ja vaihtelut mahdollisimman pieneksi. Ohjatun muuttujan menetelmän simulaatioanalyysissä käytetyt muuttujat ovat: 1) kolmen laminoidun metallilevyn materiaaliominaisuudet; 2) PZT-säteen suhde metallilevyn säteeseen; 3) PZT:n paksuuden suhde metallilevyn paksuuteen; 4) kolmen saman paksuisen laminoidun levyn paksuus säteeseen verrattuna.

 

2.3.1 PZT-tyypit ja metallilevytyypit

Muuta metallilevyn tyyppiä kolmen laminoinnin keskellä ja hanki vedessä olevan hydrofonin antiresonanssitaajuus ja vastaanottoherkkyyskäyrä simulaatiolaskennan avulla. Tulokset on esitetty taulukossa 1 ja kuvassa 6.

Taulukosta 1 voidaan nähdä, että valitun metallin Youngin moduulin asteittain kasvaessa hydrofonin antiresonanssitaajuus kasvaa vähitellen. Kuvasta 6 voidaan nähdä, että metallilevyn Youngin moduulin asteittain kasvaessa hydrofonin matalataajuuskaistan vastaanottoherkkyystaso vähitellen laskee.

 

2.3.2 PZT-säteen suhde metallilevyn säteeseen

Pidä PZT:n ja välilevyn paksuus ennallaan ja ota välilevyn säteeksi 20 mm. Kun vain PZT-sädettä muutetaan, hydrofonin antiresonanssitaajuus ja vastaanottoherkkyystasokäyrät vedessä näkyvät kuvissa 7 ja 8.

Kuvasta 7 voidaan nähdä, että PZT:n säteen kasvaessa hydrofonin antiresonanssitaajuus vedessä vähitellen kasvaa, ja kun se lähestyy 20 mm, antiresonanssitaajuus tuskin kasvaa. Kuva 8 osoittaa, että kun PZT-säde kasvaa, hydrofonin vastaanottoherkkyystaso matalalla taajuuskaistalla laskee vähitellen, mutta laskun aste ei ole suuri ja vaihtelut ovat tasaisempia. 2.3.3 PZT:n paksuuden suhde metallin paksuuteen pitää PZT:n ja keskimmäisen metallilevyn säteen muuttumattomana. Keskimmäisen metallilevyn paksuus on 1 mm, ja vain PZT-paksuus muuttuu. Hydrofonin antiresonanssitaajuus ja vastaanottoherkkyystasokäyrä vedessä on esitetty kuvissa 9 ja 10.

 

Kuvasta 9 voidaan nähdä, että kun PZT:n paksuus kasvaa, hydrofonin antiresonanssitaajuus vedessä kasvaa vähitellen. Kun se saavuttaa saman paksuuden kuin metallilevy 1 mm, antiresonanssitaajuus saavuttaa maksiminsa ja PZT-paksuus jatkaa kasvuaan. Sen sijaan hydrofonin antiresonanssitaajuus pienenee. Kuvasta 10(a) voidaan nähdä, että kun PZT:n paksuus kasvaa 0,2 mm:stä 0,5 mm:iin, hydrofonin vastaanottoherkkyystaso matalalla taajuuskaistalla kasvaa vähitellen ja heilahteluista tulee tasaisempia. Kuitenkin, kun PZT:n paksuus on 0,4 mm, tilanne on erityinen ja matalataajuuskaistan vastaanottoherkkyystaso laskee yhtäkkiä; Kuvasta 10(b) voidaan nähdä, että kun PZT:n paksuus kasvaa 0,5 mm:stä 1,5 mm:iin, hydrofonin matalataajuinen vastaanottoherkkyys Taso laskee vähitellen ja vaihtelu on lähes muuttumaton.

 

2.3.4 Kolmen saman paksuisen laminoidun levyn paksuuden suhde säteeseen

Kun metallilevyn paksuus keskikerroksessa on sama kuin PZT:n paksuus, kolmikerroksisen levyn ekvivalentti sähkömekaaninen kytkentäkerroin on suurin. Seuraavaksi analysoidaan saman paksuisen kolmikerroksisen levyn paksuuden ja säteen suhteen vaikutusta hydrofonin vedenalaiseen toimintaan. Pidä kolmen saman paksuisen laminoidun metallilevyn paksuus ja säde ennallaan, PZT-säde ennallaan, pidä PZT ja metallin paksuus samana ja muuta vain PZT:n (metallilevyn) paksuutta. Kuten kuvista 11 ja 12 näkyy.

 

Kuvasta 11 voidaan nähdä, että PZT:n (metallilevyn) paksuuden kasvaessa hydrofonin vedessä oleva antiresonanssitaajuus kasvaa vähitellen. Kuvassa 12, kun PZT:n (metallilevyn) paksuus kasvaa asteittain, hydrofonin vastaanottoherkkyystaso matalalla taajuuskaistalla laskee vähitellen ja vaihtelut pienenevät vähitellen.

 

2.3.5 Säännöllisyysanalyysi

Yllä olevassa optimointiprosessissa saatu vastemuutoslaki voidaan tiivistää seuraavasti: 1) Kun keskimetallikiekon Youngin moduuli vähitellen kasvaa, antiresonanssitaajuus vedenalainen tietoliikennehydrofoni kasvaa vähitellen ja matalan taajuuskaistan vastaanottoherkkyys pienenee ja vaihtelee. 2) Kun PZT:n suhde metallilevyn säteeseen kasvaa, hydrofonin antiresonanssitaajuus vedessä kasvaa, matalataajuuskaistan vastaanottoherkkyystaso pienenee ja vaihtelu pienenee; 3) Kun PZT-paksuuden suhde metallilevyn paksuuteen kasvaa, hydrofonin antiresonanssitaajuus vedessä ensin kasvaa ja sitten laskee saavuttaen huippuarvon suhteessa 1, ja matalataajuisen vastaanottoherkkyystaso ensin kasvaa ja sitten laskee saavuttaen huipun suhteessa noin 0,5, ja alhainen vaihteluväli; 4) jne. Paksussa kolmoislaminaatissa, kun paksuuden suhde PZT:n (metallilevyn) säteeseen kasvaa, hydrofonin antiresonanssitaajuus vedessä kasvaa, vastaanottoherkkyystaso matalalla taajuuskaistalla pienenee ja vaihtelu pienenee. Yleensä mitä suurempi anturin koko on, sitä pienempi on sen resonanssitaajuus, ja hydrofonin perusresonanssitaajuus kasvaa PZT-säteen tai paksuuden kasvaessa. Tämä johtuu siitä, että hydrofoni käyttää kolmea laminoidun levyn taivutusvärähtelytilaa. Tämän värähtelytilan tärkein vaikuttava tekijä on triplexin jäykkyys. Kun PZT-säde tai paksuus kasvaa, koko triplexin jäykkyys kasvaa, joten tripleksin taivutusvärähtelymoodin resonanssi Taajuus kasvaa, jolloin hydrofonin resonanssitaajuus kasvaa. Hydrofonin keskelle puristetun metallirenkaan korkeus on paljon pienempi kuin kolmikerroksisen levyn halkaisija, eikä se osallistu kolmikerroksisen levyn taivutusvärähtelyyn, joten vaikutus hydrofoniin on pieni.

 

2.4 Lopputulos

Yllä mainitun vaikutuslain mukaan rakenteellisen optimoinnin avulla ja ottaen huomioon hydrofonin eri osien todellisen tuotantoprosessin vaikeus, hydrofonin eri osien kokoparametrit määritetään lopuksi taulukon 2 mukaisesti. Simuloi ja laske hydrofonin impedanssikäyrä vedessä COMSOL-ohjelmistolla. Antiresonanssitaajuus on 5,2 kHz, kuten kuvassa 13 näkyy.

 

 

 

 

Käytä COMSOL-ohjelmistoa simuloidaksesi ja laskeaksesi hydrofonin vastaanottoherkkyystaso taajuusalueella 100 Hz - 6 kHz, kuten kuvassa 14.

COMSOL-ohjelmiston avulla simuloidaan ja lasketaan hydrofonin vastaanottoherkkyystaso taajuusalueella 100 Hz - 6 kHz, kuten kuvassa 14.

Matalan taajuuskaistalla 100 Hz~2,5 kHz hydrofonin vastaanottoherkkyys on noin −178 dB ja vaihtelu alle 3 dB, kuten kuvassa 15. Kun ääniaallon aallonpituus on paljon suurempi kuin anturin maksimi lineaariskaala, anturilla ei ole suuntaavuutta. Hydrofonin työtaajuuskaistalla minimiaallonpituus ääniaallon taajuudella 2,5 kHz on 0,6 m, mikä on 0,045 m suurempi kuin hydrofonin maksimikoko, voidaan katsoa, ​​että hydrofonilla ei ole suuntaavuutta ääniaaltoja vastaanottaessaan.

 

3 Hydrofonin valmistus ja testaus

COMSOLin optimoiman hydrofonin lopullisten rakenteellisten parametrien mukaan rakenneosat käsiteltiin ja hydrofonin prototyyppi valmistettiin kuvan 16 mukaisesti. Hydrofonin halkaisija on asennuksen jälkeen 45 mm ja paksuus 12 mm.

Hydrofonin suorituskykytesti suoritettiin kaiuttomassa poolissa, altaan koko oli 25 m × 16 m × 10 m ja mittaukseen käytettiin vertailumenetelmää ja vertailumittaukseen standardihydrofonia (B&K 8105). Pulssisignaalin lähetys on otettu käyttöön, ja lähettävän muuntimen ja tavallisen hydrofonin välinen etäisyys on 1,5 m (täyttää kaukokentän ehdon), ja se sijoitetaan altaan pituudelle 4 m:n ripustussyvyydellä. Prototyypin hydrofonin sisäänpääsykäyrä vedessä mitataan lopuksi kuvan 17 mukaisesti.

 

 

Kuvasta 17 voidaan nähdä, että hydrofonin prototyypin antiresonanssitaajuus on 3,3 kHz. Ääniaaltojen taajuuden alarajan rajoituksesta johtuen käytettävä lähetysanturi voi lähettää vain 500 Hz ääniaaltoa, mittausveden vastaanottoherkkyystasokäyrän alin taajuus on 500 Hz, kuten kuvasta 18 näkyy.

Kuvasta 18 nähdään, että 500 Hz ~ 2,5 kHz taajuuskaistalla hydrofonin vastaanottimen herkkyystaso on korkeintaan −178 dB ja vaihtelu on alle 4 dB. Ero hydrofonin antiresonanssitaajuuden mittaustulosten ja simuloitujen tulosten välillä johtuu pääasiassa siitä, että hydrofonin prototyypin pinta on päällystetty 2 mm:n paksuisella vesitiiviillä polyuretaanikumikerroksella, mikä lisää hydrofonin vastaavaa värähtelylaatua. Tätä viskoelastista materiaalia on vaikea simuloida COMSOL-simulointiohjelmistolla. Rakenneosien kokoamistarkkuudella ja sidosprosessilla on myös tietty vaikutus hydrofonin suorituskykyyn. Edellä mainitut kaksi tekijää aiheuttavat eron mitatun tiedon ja elementtisimulaatioarvon välillä. . Vertaa vastaanottoherkkyystason mitattuja tietoja taajuuskaistalla 500 Hz~2,5 kHz simulaatiotuloksiin, kuten kuvassa 19. Tällä taajuuskaistalla suurin mitattu vastaanottoherkkyystaso on −178 dB ja vaihtelu on alle 4 dB. Mittaustiedot ja simuloitu arvo Trendi on sama ja mitattu data vaihtelee hieman enemmän kuin simuloitu arvo.

Mitä tulee hydrofonin vastaanottoherkkyystestiin eri atsimuutteilla, hydrofonin aksiaaliset ja radiaaliset vastaanottoherkkyystasot testattiin vastaavasti. Testitulokset on esitetty kuvassa 20. Vastaanottoherkkyystaso on suunnilleen sama, ja voidaan katsoa, ​​että hydrofonilla ei ole suuntaavuutta työtaajuusalueella 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Johtopäätös

1) Matalataajuisen taivutushydrofonin suunnittelu ja valmistus. Mittaushydrofonin vastaanottoherkkyystaso on −178 dB taajuusalueella 500Hz−2,5 kHz, ja vaihtelu on alle 4 dB. 2. Pienikokoinen matalataajuinen taivutushydrofoni on toteuttanut ääniaaltojen vastaanotto-ominaisuudet korkeammalla herkkyydellä, millä on ohjaava merkitys taivutuslevyrakenteen soveltamisessa hydrofonissa.