Istraživanje niskofrekventnog zakrivljenog hidrofona

Kako bi se primili zvučni valovi niske frekvencije s visokom osjetljivošću, proučavan je dvostrani troslojni savitljivi hidrofon, primjenom softvera konačnih elemenata COMSOL za simulaciju i optimizaciju dizajna zakrivljenog hidrofona. Analiziran je utjecaj svakog dijela na stupanj osjetljivosti prijema hidrofona kako bi se dobila optimalna shema. Na kraju smo proizveli prototip hidrofona i testirali ga u vodi. Maksimalna veličina prototipa hidrofona bila je 45 mm. Rezultati eksperimenta pokazuju da je u frekvencijskom rasponu prijama od 500 Hz-2,5 kHz, maksimalni stupanj osjetljivosti na pritisak bio -178 dB, valovitost manja od 4 dB. Rezultat eksperimenta je isti kao i rezultat simulacije.

 

Kao an uređaj za primanje signala podvodnog akustičnog pretvarača , hidrofon zvučnog tlaka može se koristiti za hvatanje suptilnih promjena u signalima podvodnog zvučnog tlaka, stvarajući izlazni napon proporcionalan zvučnom tlaku i pretvarajući zvučnu energiju u električne signale koje je lako promatrati. Ključna oprema za normalan rad sonarnog sustava nezamjenjiva je i neophodna oprema u podvodnom akustičkom istraživanju. Međutim, postojeći niskofrekventni hidrofoni visoke osjetljivosti često imaju relativno veliku veličinu. Struktura pretvornika s tri sloja diska, način vibracija na savijanje dominira vibracijama, ima karakteristike niske rezonantne frekvencije, male veličine, jednostavne strukture i tako dalje. Međutim, u primjeni troslojnog diska, on se više koristi na odašiljačkom pretvaraču ili vektorskom hidrofonu, a manje na akustičkom tlačnom hidrofonu. Nedostatak niskofrekventnih savijajućih hidrofona je taj što je radni frekvencijski pojas vrlo uzak, ali poput komercijalno dostupnih hidrofona, širina pojasa je vrlo široka, ali razina osjetljivosti nije visoka. Ako postoji potreba za primanjem zvučnih valova samo u određenom niskofrekventnom pojasu, lamele se savijaju. Hidrofon sa strukturiranom strukturom ima prednost visoke razine osjetljivosti i ima svoju uporabnu vrijednost. Ovaj rad namjerava dizajnirati troslojni zakrivljeni hidrofon, koji iskorištava malu veličinu i nisku točku rezonancije troslojnog diska, te usvaja oblik dizajna paralelnog povezivanja dvaju gornjeg i donjeg troslojnog diska i prilagođava osnovnu frekvenciju kroz optimizaciju veličine. Položaj rezonantne točke koristi se za realizaciju hidrofona male veličine s odzivom visoke osjetljivosti u niskofrekventnom pojasu.

 

 

1 Dizajn troslojnog zakrivljenog hidrofona

Hidrofon za savijanje od tri sloja, srednji dio je metalni prsten, metalni prsten simetrično povezuje dva diska od tri sloja gore i dolje, piezoelektrična keramika diskova od tri sloja povezana je u seriju, a gornja i donja dva diska od tri sloja povezani su u seriju. Kroz paralelnu vezu, ova struktura može učiniti da hidrofon vibrira simetrično, a lako se sastavlja i proizvodi.

 

2 Simulacija hidrofona metodom konačnih elemenata

Softver konačnih elemenata za multifizičku simulaciju COMSOL, s akustičko-piezoelektričnim interakcijskim modulom, može se koristiti za analizu višefizičkih problema kao što je sprezanje fluida i strukture u zvučnom polju ravnog vala ili sfernog vala, i može izravno simulirati radnu scenu hidrofonski pretvarač koji prima zvučne valove u vodi. I može izdvojiti odgovarajući napon piezoelektrične keramičke površine hidrofona za izračunavanje prijemne osjetljivosti. Ovaj članak koristi softver COMSOL za analizu i dizajn zakrivljenog hidrofona.

 

2.1 Simulacijski model hidrofona metodom konačnih elemenata

Upotrijebite COMSOL multiphysics simulacijski softver za izvođenje analize konačnih elemenata na dizajniranom hidrofonu. Prvo, uspostavite model konačnih elemenata hidrofona i zanemarite vezni sloj između piezoelektrične keramike i metala, vezni sloj između metala i poliuretanske gume umetnute u krajnji vanjski sloj u modeliranju. Uspostavljanje trodimenzionalnog modela hidrofona s ljepilom i zavarenim elektrodnim žicama, odabirom PZT-5 kao piezoelektrične keramike materijala, odaberite duraluminij, bakar ili čelik kao materijal za srednji metalni disk, a odaberite bakar kao materijal za srednji metalni prsten.

 

2.2 Istraživanje načina vibracije hidrofona

Koristeći COMSOL softver za analizu karakteristične frekvencije hidrofona, možete intuitivno dobiti karakterističnu frekvenciju i pomak vibracija različitih načina vibracija hidrofona. Shematski dijagram uključuje relativni položaj svakog dijela hidrofona u svakom načinu vibracije. Ovi rezultati analize pomažu boljem razumijevanju principa rada hidrofona. Vibracija prvog reda vibracijskog načina hidrofona određene veličine. Ovaj način vibracije je način kada hidrofon prima zvučne valove.

 

 

2.3 Strukturni optimizacijski dizajn hidrofona

Korištenje softvera COMSOL za simulaciju i analizu radnih performansi hidrofona u vodi. Možete izravno uspostaviti vodeno područje s radijusom od 0,05 m oko hidrofona, a zatim postaviti ravno polje pozadinskog zvučnog vala sa zvučnim tlakom od 1 Pa u vodenom području za simulaciju. Stvarni radni scenarij hidrofona u vodi, utvrđeni podvodni model hidrofona prikazan je na slici 4. U postavci COMSOL analize, korak istraživanja odabire frekvencijsku domenu, tako da se odziv cijelog linearnog sustava kada je podvrgnut jednostavnoj harmoničkoj pobudi može analizirati, te se može izračunati napon koji pobuđuje hidrofon pod djelovanjem zvučnih valova različitih frekvencija. Zatim izdvojite napon na piezoelektričnoj keramičkoj površini hidrofona i izračunajte odgovarajuću razinu prijemne osjetljivosti hidrofona pomoću formule. Budući da hidrofon radi u stanju otvorenog kruga, vrh prijemne osjetljivosti hidrofona je na njegovoj antirezonantnoj frekvenciji, a razina osjetljivosti prijema simulira se podvodni hidrofon određene veličine.

 

Iz rezultata simulacije može se vidjeti da je krivulja prijemne razine osjetljivosti hidrofona s ovom strukturom relativno ravna u niskofrekventnom pojasu. Zatim ćemo proučiti dimenzionalne promjene svakog dijela hidrofona i učinak antirezonantne frekvencije i razine osjetljivosti primanja niske frekvencije utjecaja hidrofona. Uzimajući geometrijske parametre PZT-a i metalnih diskova u trostrukom nizu, te vrstu metalnih materijala kao varijable, veličina i stupanj fluktuacije razine osjetljivosti primanja zvučnog tlaka projektiranog hidrofona u niskofrekventnom pojasu uzimaju se kao cilj, a hidrofon se izvodi. Optimiziranim dizajnom hidrofona nastoji se razina osjetljivosti hidrofona na primanje zvučnog tlaka u niskofrekventnom pojasu učiniti što višom, a fluktuacije što manjim. Varijable korištene u simulacijskoj analizi metode kontroliranih varijabli su: 1) svojstva materijala tri laminirana metalna diska; 2) omjer polumjera PZT i polumjera metalnog lima; 3) omjer debljine PZT-a prema debljini metalnog lima; 4) debljina triju laminiranih ploča jednake debljine u usporedbi s polumjerom.

 

2.3.1 Vrste PZT i vrste limova

Promijenite vrstu metalnog diska u sredini triju slojeva i izračunajte simulacijskim izračunom antirezonantnu frekvenciju i krivulju razine osjetljivosti prijema hidrofona u vodi. Rezultati su prikazani u tablici 1 i na slici 6.

Iz tablice 1. može se vidjeti da kako se Youngov modul odabranog metala postupno povećava, antirezonantna frekvencija hidrofona postupno raste. Na slici 6 može se vidjeti da kako se Youngov modul metalnog lima postupno povećava, razina osjetljivosti prijema niskofrekventnog pojasa hidrofona postupno opada.

 

2.3.2 Omjer polumjera PZT i polumjera metalnog lima

Neka debljina PZT-a i međulima ostane nepromijenjena, a radijus međulima je 20 mm. Kada se promijeni samo radijus PZT, antirezonantna frekvencija hidrofona i krivulje razine osjetljivosti prijema u vodi prikazane su na slikama 7 i 8.

Na slici 7. vidljivo je da s povećanjem radijusa PZT-a antirezonantna frekvencija hidrofona u vodi postupno raste, a kada se približi 20 mm, antirezonantna frekvencija gotovo ne raste. Slika 8 pokazuje da kako radijus PZT postaje veći, razina osjetljivosti prijema hidrofona u niskofrekventnom pojasu postupno opada, ali stupanj smanjenja nije velik, a fluktuacije su ravnije. 2.3.3 Omjer debljine PZT-a i debljine metala zadržava PZT i polumjer srednjeg metalnog lima nepromijenjenima. Debljina srednjeg lima je 1 mm, a mijenja se samo debljina PZT. Antirezonantna frekvencija i krivulja razine osjetljivosti prijema hidrofona u vodi prikazani su na slikama 9 i 10.

 

Na slici 9 vidljivo je da s povećanjem debljine PZT postupno raste antirezonantna frekvencija hidrofona u vodi. Kada dosegne istu debljinu kao lim od 1 mm, antirezonantna frekvencija doseže maksimum, a debljina PZT nastavlja rasti. Umjesto toga smanjuje se antirezonantna frekvencija hidrofona. Na slici 10(a) može se vidjeti da kako se debljina PZT-a povećava s 0,2 mm na 0,5 mm, razina osjetljivosti prijema hidrofona u niskofrekventnom pojasu postupno raste, a fluktuacije postaju ravnije. Međutim, kada je debljina PZT-a 0,4 mm, situacija je posebna, a razina osjetljivosti prijema niskofrekventnog pojasa naglo opada; Na slici 10(b) može se vidjeti da kada se debljina PZT-a poveća s 0,5 mm na 1,5 mm, osjetljivost primanja niske frekvencije hidrofona razina postupno opada, a fluktuacija je gotovo nepromijenjena.

 

2.3.4 Omjer debljine i radijusa tri laminirana lista jednake debljine

Kada je debljina metalnog lima u srednjem sloju jednaka debljini PZT-a, ekvivalentni koeficijent elektromehaničke sprege troslojnog lima je najveći. Zatim se analizira utjecaj omjera debljine i polumjera troslojne ploče jednake debljine na podvodni rad hidrofona. Neka debljina i radijus tri laminirana metalna lima jednake debljine budu nepromijenjeni, polumjer PZT nepromijenjen, neka PZT i debljina metala budu isti i promijenite samo debljinu PZT (metalnog lima). Kao što je prikazano na slikama 11 i 12.

 

Na slici 11 može se vidjeti da kako se debljina PZT (metalnog lima) povećava, antirezonantna frekvencija u vodi hidrofona postupno raste. Na slici 12, kako se debljina PZT (metalnog lima) postupno povećava, razina osjetljivosti prijema hidrofona u niskofrekventnom pojasu postupno opada, a fluktuacije postupno postaju manje.

 

2.3.5 Analiza pravilnosti

Zakon promjene odziva dobiven u gornjem procesu optimizacije može se sažeti kako slijedi: 1) Kako Youngov modul srednjeg metalnog diska postupno raste, antirezonantna frekvencija hidrofon za podvodne komunikacije postupno postaje sve veći, a razina osjetljivosti prijama niskofrekventnog pojasa postaje manja i varira. 2) Kako omjer PZT-a prema radijusu metalnog lima postaje veći, antirezonantna frekvencija hidrofona u vodi postaje veća, razina osjetljivosti prijama niskofrekventnog pojasa opada, a fluktuacija postaje manja; 3) Kako omjer debljine PZT prema debljini metalnog lima postaje veći, antirezonantna frekvencija hidrofona u vodi prvo raste, a zatim opada, dostižući vršnu vrijednost pri omjeru 1, a razina osjetljivosti primanja niske frekvencije prvo raste, a zatim opada, dostižući vrhunac pri omjeru od oko 0,5, a niskofrekventne fluktuacije postupno smanjenje; 4) itd. U debelom trostrukom laminatu, kako omjer debljine i polumjera PZT (metalnog lima) postaje veći, antirezonantna frekvencija hidrofona u vodi postaje veća, razina osjetljivosti prijema u niskofrekventnom pojasu postaje manja, a fluktuacija postaje manja. Općenito, što je veća veličina sonde, to je manja njegova rezonantna frekvencija, a osnovna rezonantna frekvencija hidrofona raste s povećanjem radijusa ili debljine PZT. To je zato što hidrofon koristi tri načina savijanja laminirane ploče. Glavni čimbenik koji utječe na ovaj način vibracije je krutost tripleksa. Kada se radijus ili debljina PZT poveća, krutost cijelog tripleksa postaje veća, tako da će rezonancija tripleksnog načina vibracije savijanja Frekvencija postati veća, čineći rezonantnu frekvenciju hidrofona većom. Visina metalnog prstena stegnutog u sredini hidrofona mnogo je manja od promjera troslojnog lima, te ne sudjeluje u vibraciji savijanja troslojnog lima, pa je utjecaj na hidrofon mali.

 

2.4 Konačni rezultat

Prema gore spomenutom zakonu utjecaja kroz strukturnu optimizaciju i uzimajući u obzir poteškoće stvarnog procesa proizvodnje različitih dijelova hidrofona, parametri veličine različitih dijelova hidrofona konačno su određeni kao što je prikazano u tablici 2. Upotrijebite softver COMSOL za simulaciju i izračun krivulje impedancije hidrofona u vodi. Antirezonantna frekvencija je 5,2 kHz, kao što je prikazano na slici 13.

 

 

 

 

Upotrijebite softver COMSOL za simulaciju i izračun razine osjetljivosti prijema hidrofona u frekvencijskom rasponu od 100 Hz do 6 kHz, kao što je prikazano na slici 14.

Korištenje softvera COMSOL za simulaciju i izračunavanje razine osjetljivosti prijema hidrofona u frekvencijskom rasponu od 100 Hz do 6 kHz, kao što je prikazano na slici 14.

U niskofrekventnom pojasu od 100 Hz~2,5 kHz, prijemna razina osjetljivosti hidrofona je oko -178 dB, a fluktuacija je manja od 3 dB, kao što je prikazano na slici 15. Kada je valna duljina zvučnog vala mnogo veća od maksimalne linearne skale pretvornika, pretvornik nema usmjerenost. U radnom frekvencijskom pojasu hidrofona, minimalna valna duljina kada je frekvencija zvučnog vala 2,5 kHz je 0,6 m, što je veće od maksimalne veličine hidrofona za 0,045 m, može se smatrati da hidrofon nema usmjerenost pri primanju zvučnih valova.

 

3 Izrada i ispitivanje hidrofona

Prema konačnim strukturnim parametrima hidrofona koje je optimizirao COMSOL, obrađene su strukturne komponente i izrađen prototip hidrofona, kao što je prikazano na slici 16. Nakon zalivanja promjer hidrofona je 45 mm, a debljina 12 mm.

Ispitivanje performansi hidrofona provedeno je u bezehoičnom bazenu, veličina bazena bila je 25 m × 16 m × 10 m, a za mjerenje je korištena metoda usporedbe, a za mjerenje usporedbe korišten je standardni hidrofon (B&K 8105). Usvojen je prijenos impulsnog signala, a udaljenost između odašiljačkog pretvarača i standardnog hidrofona je 1,5 m (zadovoljava uvjet dalekog polja), a postavlja se po dužini bazena s visinskom dubinom od 4 m. Krivulja admitancije u vodi prototipa hidrofona konačno je izmjerena kao što je prikazano na slici 17.

 

 

Iz slike 17 vidljivo je da je antirezonantna frekvencija prototipa hidrofona 3,3 kHz. Zbog ograničenja donje granice frekvencije zvučnog vala da korišteni prijenosni pretvornik može odašiljati samo zvučni val od 500 Hz, najniža frekvencija krivulje razine osjetljivosti primanja mjerne vode je 500 Hz, kao što je prikazano na slici 18.

Na slici 18 može se vidjeti da je u frekvencijskom pojasu od 500 Hz ~ 2,5 kHz razina osjetljivosti prijemnika hidrofona najviše −178 dB, a fluktuacija je manja od 4 dB. Razlika između mjernih i simuliranih rezultata antirezonantne frekvencije hidrofona uglavnom je posljedica činjenice da je površina prototipa hidrofona obložena slojem vodonepropusne poliuretanske gume debljine 2 mm, što će povećati ekvivalentnu kvalitetu vibracija hidrofona. Teško je simulirati ovaj viskoelastični materijal na softveru za simulaciju COMSOL. Točnost montaže strukturnih dijelova i postupak spajanja također će imati određeni utjecaj na performanse hidrofona. Gornja dva čimbenika uzrokuju razliku između izmjerenih podataka i vrijednosti simulacije konačnih elemenata. . Usporedite izmjerene podatke razine osjetljivosti prijema u frekvencijskom pojasu od 500 Hz~2,5 kHz s rezultatima simulacije, kao što je prikazano na slici 19. U ovom frekvencijskom pojasu, izmjerena najveća razina osjetljivosti prijema je -178 dB, a fluktuacija je manja od 4 dB. Izmjereni podaci i simulirana vrijednost Trend je isti, a izmjereni podaci fluktuiraju nešto više od simulirane vrijednosti.

Što se tiče ispitivanja prijemne osjetljivosti hidrofona u različitim azimutima, testirane su aksijalne i radijalne razine prijemne osjetljivosti hidrofona. Rezultati ispitivanja prikazani su na slici 20. Razina osjetljivosti prijema je otprilike ista, te se može smatrati da hidrofon nema usmjerenost u radnom frekvencijskom pojasu od 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Zaključak

1) Projektiranje i izrada niskofrekventnog savijajućeg hidrofona. Mjerni hidrofon ima prijemnu razinu osjetljivosti od −178 dB u frekvencijskom pojasu 500Hz−2,5 kHz, a fluktuacija je manja od 4 dB. 2. Mali niskofrekventni savijajući hidrofon je ostvario značajke primanja zvučnih valova s ​​većom osjetljivošću, što ima vodeće značenje za primjenu strukture savijajućeg diska u hidrofonu.