Taighde ar an hidreafón cuartha minicíocht íseal

D'fhonn tonnta fuaime íseal-minicíochta a fháil le híogaireacht ard, rinneadh staidéar ar hidreafón flexural trí lannú dhá thaobh, ag cur na bogearraí eilimint chríochta COMSOL i bhfeidhm ar insamhladh agus dearadh optamaithe an hidreafóin chuartha. Rinneadh anailís ar thionchar gach cuid ar ghrád íogaireachta glactha an hidreafóin chun an scéim optamach a sholáthar. Ar deireadh, rinneamar fréamhshamhail hidreafóin a tháirgeadh agus é a thástáil san uisce. Ba é 45 mm uasmhéid an fhréamhshamhail hidreafóin. Léiríonn torthaí an turgnaimh, sa raon minicíochta glactha 500 Hz−2.5 kHz, gurbh é −178 dB an grád íogaireachta brú glactha uasta, droimneach níos lú ná 4 dB. Tá toradh an turgnaimh mar an gcéanna le toradh an ionsamhlúcháin.

 

Mar an gléas glactha comhartha trasducer fuaimiúil faoi uisce , is féidir hidreafón brú fuaime a úsáid chun athruithe subtle sna comharthaí brú fuaime faoi uisce a ghabháil, ag giniúint voltas aschuir comhréireach leis an mbrú fuaime, agus fuinneamh fuaime a thiontú go comharthaí leictreacha atá éasca le breathnú, Is é an príomh-threalamh le haghaidh gnáthoibriú an chórais sonar ná trealamh fíor-riachtanach agus riachtanach sa taighde fuaimiúil faoi uisce. Mar sin féin, is minic go mbíonn méid réasúnta mór ag na hidreafóin ard-minicíochta, ard-íogaireachta atá ann cheana féin. Struchtúr diosca trí-Chruach an trasducer, is mó an modh creathadh lúbthachta ar an tonnchrith, tá tréithe minicíocht athshondach íseal, méid beag, struchtúr simplí agus mar sin de. Mar sin féin, i gcur i bhfeidhm an diosca trí chruach, úsáidtear é níos mó ar an trasduchtóir tarchurtha nó ar an hidreafón veicteora, agus níos lú ar an hidreafón brú fuaimiúil. Is é an míbhuntáiste a bhaineann le hidreafóin lúbthachta íseal-minicíochta ná go bhfuil an banna minicíochta oibre an-chúng, ach cosúil le hidreafóin atá ar fáil go tráchtála, tá an bandaleithead an-leathan, ach níl an leibhéal íogaireachta ard. Más gá dtonnta fuaime a fháil ach amháin i mbanda minicíochta íseal ar leith, tá na laminations lúbtha Tá buntáiste ag an hidreafón leis an struchtúr struchtúrtha go bhfuil leibhéal ard íogaireachta aige agus tá a luach úsáide aige. Tá sé beartaithe ag an bpáipéar seo hidreafón cuartha trí-lamination a dhearadh, a bhaineann leas as an méid beag agus pointe athshondais íseal an diosca trí-lamination, agus glacann sé an fhoirm deartha chun dhá dhiosca trí-lamination uachtaracha agus níos ísle a nascadh go comhthreomhar, agus a choigeartóidh an minicíocht bhunúsach trí leas iomlán a bhaint as méid. Úsáidtear suíomh an phointe athshondais chun hidreafón beagmhéide a bhaint amach le freagairt ard-íogaireachta i mbanda minicíochta íseal.

 

 

1 Dearadh an hidreafón cuartha trí lannú

Hidreafón lúbthachta trí-lamination, is fáinne miotail an chuid lár, bannaí miotail go siméadrach dhá dhiosca trí-lamination suas agus síos, tá criadóireacht piezoelectric na dioscaí trí-lamination ceangailte i sraith, agus tá an dá dhiosca trí-lamination uachtarach agus íochtair ceangailte i sraith. Trí nasc comhthreomhar, is féidir leis an struchtúr seo an hidreafón a chreathadh go siméadrach, agus is furasta é a chur le chéile agus a mhonarú.

 

2 Insamhladh eilimint chríochnaithe hidreafóin

Is féidir bogearraí eilimintí críochta insamhalta insamhladh ilfhisic COMSOL, le modúl idirghníomhaíochta fuaimiúil-piezoelectric, a úsáid chun anailís a dhéanamh ar fhadhbanna ilfhisic, mar shampla cúpláil struchtúr sreabhán i réimse fuaime tonn eitleáin nó tonn sféarúil, agus féadann siad insamhail dhíreach a dhéanamh ar an láthair oibre de trasducer hidreafóin ag fáil tonnta fuaime san uisce. Agus is féidir leis an voltas comhfhreagrach de dhromchla ceirmeach piezoelectric an hidreafóin a bhaint as chun an íogaireacht glactha a ríomh. Úsáideann an t-alt seo bogearraí COMSOL chun an hidreafón cuartha a anailísiú agus a dhearadh.

 

2.1 Samhail ionsamhlúcháin eiliminte críochta de hidreafón

Úsáid bogearraí ionsamhlúcháin ilfhisic COMSOL chun anailís eiliminte críochta a dhéanamh ar an hidreafón deartha. Gcéad dul síos, a bhunú ar an múnla eilimint críochta an hidreafón, agus neamhaird a dhéanamh ar an ciseal nascáil idir an ceirmeach piezoelectric agus an miotail, an ciseal nascáil idir na miotail, agus an rubar polúireatán potted sa ciseal is forimeallaí sa modeling.Establishing múnla tríthoiseach an hidreafón le gliú agus táthaithe sreanga leictreoid, a roghnú PZT-5 mar an ábhar miotail dioscúrsa piezoelectric, ceirmeacha nó cruach-ábhar as a chéile piezoelectric. agus roghnaigh copar mar an t-ábhar don fháinne miotail lár.

 

2.2 Taighde ar mhodh creathadh an hidreafóin

Ag baint úsáide as bogearraí COMSOL chun anailís a dhéanamh ar mhinicíocht shainiúil an hidreafóin, is féidir leat minicíocht tréithiúil agus díláithriú creathadh modhanna éagsúla creathadh an hidreafóin a fháil go hintuigthe. Áiríonn an léaráid scéimeach suíomh coibhneasta gach cuid den hidreafón i ngach modh creathadh. Cuidíonn na torthaí anailíse seo le tuiscint níos fearr a fháil ar phrionsabal oibre an hidreafóin. Creathadh an modh creathadh den chéad ordú de hidreafón de mhéid áirithe. Is é an modh creathadh seo an modh nuair a fhaigheann an hidreafón tonnta fuaime.

 

 

2.3 Dearadh optamaithe struchtúrach an hidreafóin

Ag baint úsáide as bogearraí COMSOL chun insamhail agus anailís a dhéanamh ar fheidhmíocht oibre an hidreafóin san uisce. Is féidir leat achar uisce a bhunú go díreach le ga 0.05 m timpeall an hidreafóin, agus ansin réimse cúlra tonn fuaime eitleáin a shocrú le brú fuaime 1 Pa sa limistéar uisce chun insamhail a dhéanamh ar an scéal oibre iarbhír an hidreafón in uisce, taispeántar an tsamhail faoi uisce bunaithe den hidreafón i bhFíor 4. I suíomh anailíse COMSOL, roghnaíonn an chéim taighde an réimse minicíochta ar fad, ionas gur féidir leis an gcóras comhchuí ar fad a bheith mar fhreagra ar an bhfearann ​​minicíochta ar fad. anailís, agus is féidir an voltas corraithe ag an hidreafón faoi ghníomh na dtonnta fuaime de mhinicíochtaí éagsúla a ríomh. Ansin bain an voltas ar dhromchla ceirmeach piezoelectric an hidreafóin, agus ríomh leibhéal íogaireachta glactha comhfhreagrach an hidreafóin trí fhoirmle. Ós rud é go n-oibríonn an hidreafón i stát ciorcad oscailte, is é an buaic íogaireacht glactha an hidreafóin ag a mhinicíocht frith-athshondas, agus is é an leibhéal íogaireachta glactha. déantar hidreafón faoi uisce de mhéid áirithe a insamhladh.

 

Is féidir a fheiceáil ó thorthaí an insamhalta go bhfuil cuar leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin leis an struchtúr seo sách cothrom sa bhanda minicíochta íseal. Ansin, déanfaimid staidéar ar athruithe tríthoiseach gach cuid den hidreafón, agus ar éifeacht na minicíochta frith-athshondas agus leibhéal íogaireachta glactha minicíocht íseal an Tionchair hidreafóin. Ag glacadh le paraiméadair gheoiméadracha an PZT agus na dioscaí miotail sa trí-chruach, agus cineál na n-ábhar miotail mar athróga, glactar leis an sprioc méid agus luaineacht leibhéal íogaireachta glactha brú fuaime an hidreafóin deartha sa bhanda minicíochta íseal, agus déantar an hidreafón. Déanann dearadh optamaithe an hidreafóin a dhícheall leibhéal íogaireachta glactha brú fuaime an hidreafóin sa bhanda minicíochta íseal a dhéanamh chomh hard agus is féidir agus na luaineachtaí chomh beag agus is féidir. Is iad seo a leanas na hathróga a úsáidtear san anailís insamhalta ar an modh athróg rialaithe: 1) airíonna ábhartha na dtrí dioscaí miotail lannaithe; 2) an cóimheas idir an ga PZT agus an leathán miotail ga; 3) an cóimheas idir an tiús PZT le tiús an leatháin miotail; 4) tiús na dtrí leathán lannaithe de thiús comhionann i gcomparáid leis an ga.

 

2.3.1 Cineálacha PZT agus cineálacha leathán miotail

Athraigh an cineál diosca miotail i lár na dtrí laminations, agus faigh an minicíocht frith-athshondas agus cuar leibhéal íogaireachta an hidreafóin in uisce trí ríomh insamhalta. Léirítear na torthaí i dTábla 1 agus i bhFíor 6.

Is féidir a fheiceáil ó Thábla 1, de réir mar a mhéadaíonn modúl Young an mhiotail roghnaithe de réir a chéile, go dtiocfaidh méadú de réir a chéile ar mhinicíocht frith-athshondach an hidreafóin. Is féidir a fheiceáil ó Fíor 6, de réir mar a mhéadaíonn modal Young an leatháin mhiotail de réir a chéile, go laghdaítear leibhéal íogaireachta glactha banna minicíochta íseal an hidreafóin de réir a chéile.

 

2.3.2 Cóimheas ga PZT le ga leatháin mhiotail

Coinnigh tiús an PZT agus an leatháin miotail idirmheánach gan athrú, agus glac ga an leathán miotail idirmheánach mar 20 mm. Nuair nach n-athraítear ach an ga PZT, taispeántar i bhFíoracha 7 agus 8 an minicíocht frith-athshondas hidreafóin agus na cuair leibhéal íogaireachta glactha san uisce.

Is féidir a fheiceáil ó Fíor 7 de réir mar a mhéadaíonn ga an PZT, go dtiocfaidh méadú de réir a chéile ar mhinicíocht frith-athshondach an hidreafóin san uisce, agus nuair a bhíonn sé ag druidim le 20 mm, is ar éigean a mhéadaíonn an minicíocht frith-athshondach. Léiríonn Fíor 8, de réir mar a éiríonn an ga PZT níos mó, go laghdaítear leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin sa bhanna minicíochta íseal de réir a chéile, ach níl an méid laghdaithe mór, agus tá na luaineachtaí níos comhréidh. 2.3.3 Coinníonn an cóimheas idir tiús PZT agus tiús miotail PZT agus ga an leatháin miotail lár gan athrú. Is é 1 mm tiús an leatháin miotail lár, agus ní athraítear ach an tiús PZT. Taispeántar i bhFíor 9 agus 10 an minicíocht frith-athshondas agus cuar leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin in uisce.

 

Is féidir a fheiceáil ó Fhíor 9, de réir mar a mhéadaíonn tiús an PZT, go dtiocfaidh méadú de réir a chéile ar mhinicíocht frith-athshondach an hidreafóin in uisce. Nuair a shroicheann sé an tiús céanna leis an leathán miotail de 1 mm, sroicheann an minicíocht frith-athshondach an t-uasmhéid, agus leanann an tiús PZT ag méadú. Laghdaíonn minicíocht fhrith-athshondach an hidreafóin ina ionad sin. Is féidir a fheiceáil ó Fíor 10(a) de réir mar a mhéadaíonn tiús an PZT ó 0.2 mm go 0.5 mm, go dtiocfaidh méadú de réir a chéile ar leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin sa bhanda minicíochta íseal, agus go n-éiríonn na luaineachtaí níos comhréidh. Mar sin féin, nuair a bhíonn tiús PZT 0.4 mm, tá an scéal speisialta, agus laghdaítear leibhéal íogaireachta glactha an bhanna minicíochta íseal go tobann; ó Fíor 10(b), is féidir a fheiceáil nuair a mhéadaíonn tiús PZT ó 0.5 mm go 1.5 mm, íogaireacht glactha minicíochta íseal an hidreafóin Laghdaíonn an leibhéal de réir a chéile, agus níl an luaineacht beagnach gan athrú.

 

2.3.4 Cóimheas tiús le ga de thrí leathán lannaithe ar comhionann tiús

Nuair a bhíonn tiús an leatháin miotail sa chiseal lár mar an gcéanna le tiús an PZT, is é an comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla coibhéiseach den bhileog trí shraith an ceann is mó. Ansin, déantar anailís ar thionchar an chóimheas tiús le ga den bhileog trí shraith den tiús comhionann ar oibriú faoi uisce an hidreafóin. Coinnigh tiús agus ga na dtrí leathán miotail lannaithe de thiús comhionann gan athrú, an ga PZT gan athrú, coinnigh an PZT agus an tiús miotail mar an gcéanna, agus gan ach tiús an PZT (bileog miotail) a athrú. Mar a léirítear i bhFíoracha 11 agus 12.

 

Is féidir a fheiceáil ó Fhíor 11, de réir mar a mhéadaíonn tiús an PZT (bileog miotail), go dtiocfaidh méadú de réir a chéile ar mhinicíocht frith-athshondach in uisce an hidreafóin. I bhFíor 12, de réir mar a mhéadaíonn tiús an PZT (bileog miotail) de réir a chéile, laghdaítear leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin sa bhanna minicíochta íseal de réir a chéile, agus déantar na luaineachtaí níos lú de réir a chéile.

 

2.3.5 Anailís rialtachta

Is féidir achoimre a dhéanamh ar an dlí um athrú freagartha a fhaightear sa phróiseas leas iomlán a bhaint thuas mar seo a leanas: 1) De réir mar a mhéadaíonn modulus Young an diosca lár-mhiotail de réir a chéile, tá minicíocht frith-athshondach éiríonn hidreafón cumarsáide faoi uisce níos mó de réir a chéile, agus éiríonn leibhéal íogaireachta glactha an bhanna minicíochta íseal níos lú agus luainíonn. 2) De réir mar a éiríonn an cóimheas idir an PZT agus an leathán miotail níos mó, déantar minicíocht frith-athshondach an hidreafóin in uisce a bheith níos mó, laghdaítear leibhéal íogaireachta glactha an bhanna minicíochta íseal, agus déantar an luaineacht níos lú; 3) De réir mar a éiríonn an cóimheas idir an tiús PZT agus an tiús leatháin miotail níos mó, Méadaíonn minicíocht frith-athshondach an hidreafóin san uisce ar dtús agus ansin laghdaítear, ag teacht ar an luach buaic ag cóimheas 1, agus an leibhéal íogaireachta glactha íseal-minicíocht méaduithe ar dtús agus ansin laghduithe, ag teacht ar an bhuaic ag cóimheas de thart ar 0.5, agus na luaineachtaí íseal-minicíocht laghdú de réir a chéile; 4) etc. Sa laminate triple tiubh, de réir mar a éiríonn an cóimheas idir an tiús le ga an PZT (bileog miotail) níos mó, go dtiocfaidh minicíocht frith-athshondach an hidreafóin in uisce níos mó, éiríonn an leibhéal íogaireachta glactha sa bhanna minicíochta íseal níos lú, agus déantar an luaineacht níos lú. Go ginearálta, is mó an méid trasducer, is lú a mhinicíocht athshondais, agus méadóidh minicíocht athshondais bhunúsach an hidreafóin le méadú ar gha nó tiús PZT. Tá sé seo toisc go n-úsáideann an hidreafón trí Modh creathadh flexural an bhileog lannaithe. Is é an príomhfhachtóir tionchair atá ag an modh creathadh seo ná stiffness an triplex. Nuair a mhéadaíonn an ga PZT nó an tiús, éiríonn stiffness an triplex iomlán níos mó, agus mar sin athshondas an mhodh creathadh flexural triplex Beidh an minicíocht níos mó, rud a fhágann go mbeidh minicíocht athshondais an hidreafóin níos mó. Tá airde an fháinne miotail atá clampáilte i lár an hidreafóin i bhfad níos lú ná trastomhas an bhileog trí-ciseal, agus ní ghlacann sé páirt i gcreathadh lúbthachta an bhileog trí-ciseal, agus mar sin tá an tionchar ar an hidreafón beag.

 

2.4 Toradh deiridh

De réir an dlí tionchair thuasluaite trí leas iomlán a bhaint struchtúrach, agus ag cur san áireamh an deacracht a bhaineann le próiseas táirgthe iarbhír na gcodanna éagsúla den hidreafón, déantar paraiméadair mhéid na gcodanna éagsúla den hidreafón a chinneadh ar deireadh mar a thaispeántar i dTábla 2. Bain úsáid as bogearraí COMSOL chun cuar impedance an hidreafóin in uisce a insamhladh agus a ríomh. Is é 5.2 kHz an minicíocht frith-athshondach, mar a thaispeántar i bhFíor 13.

 

 

 

 

Úsáid bogearraí COMSOL chun leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin a insamhail agus a ríomh sa raon minicíochta 100 Hz go 6 kHz, mar a thaispeántar i bhFíor 14.

Ag baint úsáide as bogearraí COMSOL chun leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin a insamhail agus a ríomh sa raon minicíochta 100 Hz go 6 kHz, mar a thaispeántar i bhFíor 14.

Sa bhanna minicíochta íseal 100 Hz ~ 2.5 kHz, tá leibhéal íogaireachta glactha an hidreafóin thart ar −178 dB, agus tá an luaineacht níos lú ná 3 dB, mar a thaispeántar i bhFíor 15. Nuair a bhíonn tonnfhad an tonn fuaime i bhfad níos mó ná scála líneach uasta an trasducer, níl aon treoshuíomh ag an trasducer. I mbanda minicíochta oibre an hidreafóin, is é 0.6 m an tonnfhad íosta nuair a bhíonn an minicíocht tonn fuaime 2.5 kHz, atá níos mó ná 0.045 m ar mhéid uasta an hidreafóin, is féidir a mheas nach bhfuil aon dhíreachacht ag an hidreafón nuair a fhaigheann sé tonnta fuaime.

 

3 Táirgeadh agus tástáil hidreafóin

De réir pharaiméadair struchtúracha deiridh an hidreafóin atá optamaithe ag COMSOL, próiseáladh na comhpháirteanna struchtúracha agus rinneadh an fhréamhshamhail hidreafóin, mar a thaispeántar i bhFíor 16. Tar éis potaithe, is é 45 mm trastomhas an hidreafóin agus is é 12 mm an tiús.

Rinneadh an tástáil feidhmíochta hidreafóin i linn snámha anechoic, ba é méid na linne 25 m × 16 m × 10 m, agus úsáideadh an modh comparáide le haghaidh tomhais, agus úsáideadh hidreafón caighdeánach (B&K 8105) chun comparáid a dhéanamh. Glactar le tarchur comhartha Pulse, agus is é 1.5 m an fad idir an trasducer tarchurtha agus an hidreafón caighdeánach (a shásaíonn an coinníoll i bhfad-raoin), agus cuirtear é ar feadh fad an linne le doimhneacht crochta 4 m. Déantar an cuar iontrála in uisce an hidreafóin fhréamhshamhail a thomhas ar deireadh mar a thaispeántar i bhFíor 17.

 

 

Is féidir a fheiceáil ó Fíor 17 gurb é 3.3 kHz minicíocht frith-athshondach an fhréamhshamhail hidreafóin. Mar gheall ar theorannú na teorann níos ísle ar an minicíocht tonn fuaime nach féidir leis an trasducer tarchurtha a úsáidtear ach tonn fuaime 500 Hz a tharchur, is é an minicíocht is ísle de chuar leibhéal íogaireachta glactha uisce tomhais 500 Hz, mar a thaispeántar i bhFíor 18.

Is féidir a fheiceáil ó Fhíor 18, sa bhanna minicíochta 500 Hz ~ 2.5 kHz, go bhfuil leibhéal íogaireachta an ghlacadóra hidreafóin ar a mhéad −178 dB, agus go bhfuil an luaineacht níos lú ná 4 dB. Is é an difríocht idir na torthaí tomhais agus insamhladh ar mhinicíocht frith-athshondach an hidreafóin go príomha toisc go bhfuil dromchla an fhréamhshamhail hidreafóin i bpotaí le sraith de rubar polúireatán uiscedhíonach le tiús 2 mm, rud a mhéadóidh cáilíocht choibhéiseach creathadh an hidreafóin. Tá sé deacair an t-ábhar viscoelastic seo a insamhladh ar na bogearraí insamhalta COMSOL. Beidh tionchar áirithe ag cruinneas cóimeála na gcodanna struchtúracha agus an phróisis nascáil ar fheidhmíocht an hidreafhóin freisin. Is cúis leis an dá fhachtóir thuas an difríocht idir na sonraí tomhaiste agus luach insamhalta an eilimint chríochnaigh. . Déan comparáid idir sonraí tomhaiste an leibhéil íogaireachta glactha sa bhanda minicíochta 500 Hz ~ 2.5 kHz leis na torthaí insamhalta, mar a thaispeántar i bhFíor 19. Sa bhanda minicíochta seo, is é −178 dB an leibhéal íogaireachta glactha uasta tomhaiste, agus tá an luaineacht níos lú ná 4 dB. Na sonraí tomhaiste agus an luach insamhladh Tá an treocht mar an gcéanna, agus luainíonn na sonraí tomhaiste beagán níos mó ná an luach insamhlaithe.

Maidir le tástáil íogaireachta glactha an hidreafóin in azimuths éagsúla, rinneadh tástáil ar leibhéil íogaireachta glactha aiseach agus gathacha an hidreafóin faoi seach. Taispeántar na torthaí tástála i bhFíor 20. Tá an leibhéal íogaireachta glactha thart ar an gcéanna, agus is féidir a mheas nach bhfuil aon dhíreachacht ag an hidreafón sa bhanda minicíochta oibre de 500 Hz ~ 2.5 kHz.

4 Conclúid

1) Hidreafón lúbthachta íseal-minicíochta a dhearadh agus a tháirgeadh. Tá leibhéal íogaireachta glactha de −178 dB ag an hidreafón tomhais sa bhanda minicíochta 500Hz−2.5 kHz, agus tá an luaineacht níos lú ná 4 dB. 2.Tá an hidreafón lúbthachta íseal-minicíochta beagmhéide tar éis na tréithe a bhaineann le tonnta fuaime a fháil le híogaireacht níos airde, a bhfuil tábhacht treorach aige maidir le struchtúr an diosca lúbthachta a chur i bhfeidhm sa hidreafón.