Penelitian tentang hidrofon melengkung frekuensi rendah

Untuk menerima gelombang suara frekuensi rendah dengan sensitivitas tinggi, hidrofon lentur tiga laminasi dua sisi dipelajari, menerapkan perangkat lunak elemen hingga COMSOL pada desain simulasi dan optimasi hidrofon melengkung. Pengaruh setiap bagian pada tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon dianalisis untuk mendapatkan skema yang optimal. Terakhir, kami membuat prototipe hidrofon dan mengujinya di dalam air. Ukuran maksimal prototipe hidrofon adalah 45 mm. Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada rentang frekuensi penerimaan 500 Hz−2,5 kHz, tingkat sensitivitas tekanan penerimaan maksimum adalah −178 dB, bergelombang kurang dari 4 dB. Hasil percobaannya sama dengan simulasi.

 

Sebagai perangkat penerima sinyal transduser akustik bawah air , hidrofon tekanan suara dapat digunakan untuk menangkap perubahan halus pada sinyal tekanan suara bawah air, menghasilkan keluaran tegangan yang sebanding dengan tekanan suara, dan mengubah energi suara menjadi sinyal listrik yang mudah diamati, Peralatan utama untuk pengoperasian normal sistem sonar adalah peralatan yang sangat diperlukan dan diperlukan dalam penelitian akustik bawah air. Namun, hidrofon frekuensi rendah dan sensitivitas tinggi yang ada seringkali memiliki ukuran yang relatif besar. Struktur cakram transduser tiga tumpukan, mode getaran lentur mendominasi getaran, memiliki karakteristik frekuensi resonansi rendah, ukuran kecil, struktur sederhana dan sebagainya. Namun pada penerapan cakram tiga tumpukan lebih banyak digunakan pada transduser transmisi atau hidrofon vektor, dan lebih sedikit pada hidrofon tekanan akustik. Kerugian dari hidrofon lentur frekuensi rendah adalah pita frekuensi kerjanya sangat sempit, tetapi seperti hidrofon yang tersedia secara komersial, bandwidthnya sangat lebar, tetapi tingkat sensitivitasnya tidak tinggi. Jika ada kebutuhan untuk menerima gelombang suara hanya pada pita frekuensi rendah tertentu, laminasinya bengkok. Hidrofon dengan struktur terstruktur memiliki keunggulan tingkat sensitivitas yang tinggi dan memiliki nilai guna. Makalah ini bermaksud untuk merancang hidrofon lengkung tiga laminasi, yang memanfaatkan ukuran kecil dan titik resonansi rendah dari cakram tiga laminasi, dan mengadopsi bentuk desain yang menghubungkan dua cakram tiga laminasi atas dan bawah secara paralel, dan menyesuaikan frekuensi dasar melalui optimalisasi ukuran. Posisi titik resonansi digunakan untuk mewujudkan hidrofon berukuran kecil dengan respon sensitivitas tinggi pada pita frekuensi rendah.

 

 

1 Desain hidrofon melengkung tiga laminasi

Hidrofon lentur tiga laminasi, bagian tengah berupa cincin logam, cincin logam mengikat dua piringan tiga laminasi secara simetris ke atas dan ke bawah, keramik piezoelektrik dari piringan tiga laminasi dihubungkan secara seri, dan dua piringan tiga laminasi atas dan bawah dihubungkan secara seri. Melalui sambungan paralel, struktur ini dapat membuat hidrofon bergetar secara simetris, serta mudah dirakit dan diproduksi.

 

2 Simulasi elemen hingga hidrofon

Perangkat lunak elemen hingga simulasi multifisika COMSOL, dengan modul interaksi akustik-piezoelektrik, dapat digunakan untuk menganalisis masalah multifisika seperti kopling struktur fluida dalam bidang suara gelombang bidang atau gelombang bola, dan dapat secara langsung mensimulasikan lingkungan kerja transduser hidrofon yang menerima gelombang suara di dalam air. Dan dapat mengekstrak tegangan yang sesuai dari permukaan keramik piezoelektrik hidrofon untuk menghitung sensitivitas penerimaan. Artikel ini menggunakan software COMSOL untuk menganalisis dan mendesain hidrofon melengkung.

 

2.1 Model simulasi elemen hingga hidrofon

Gunakan perangkat lunak simulasi multifisika COMSOL untuk melakukan analisis elemen hingga pada hidrofon yang dirancang. Pertama, buat model elemen hingga hidrofon, dan abaikan lapisan ikatan antara keramik piezoelektrik dan logam, lapisan ikatan antara logam, dan karet poliuretan yang ditempatkan di lapisan terluar dalam pemodelan. Membuat model hidrofon tiga dimensi dengan lem dan kabel elektroda yang dilas, memilih PZT-5 sebagai bahan keramik piezoelektrik, memilih duralumin, tembaga atau baja sebagai bahan cakram logam tengah, dan memilih tembaga sebagai bahan untuk cakram logam tengah. cincin logam tengah.

 

2.2 Penelitian mode getar hidrofon

Dengan menggunakan perangkat lunak COMSOL untuk menganalisis frekuensi karakteristik hidrofon, Anda dapat secara intuitif memperoleh frekuensi karakteristik dan perpindahan getaran dari berbagai mode getaran hidrofon. Diagram skematik mencakup posisi relatif setiap bagian hidrofon pada setiap mode getaran. Hasil analisis ini membantu untuk lebih memahami prinsip kerja hidrofon. Getaran modus getaran orde pertama hidrofon dengan ukuran tertentu. Mode getar ini merupakan mode ketika hidrofon menerima gelombang suara.

 

 

2.3 Desain optimasi struktur hidrofon

Menggunakan software COMSOL untuk mensimulasikan dan menganalisis kinerja kerja hidrofon di dalam air. Anda dapat langsung membuat area perairan dengan radius 0,05 m di sekitar hidrofon, lalu mengatur bidang latar belakang gelombang suara bidang dengan tekanan suara 1 Pa di area perairan untuk mensimulasikan Skenario kerja sebenarnya dari hidrofon di dalam air, model hidrofon bawah air yang dibuat ditunjukkan pada Gambar 4. Dalam pengaturan analisis COMSOL, langkah penelitian memilih domain frekuensi, sehingga respons seluruh sistem linier ketika dikenai eksitasi harmonik sederhana dapat dianalisis, dan tegangan tereksitasi oleh hidrofon hidrofon di bawah pengaruh gelombang suara dengan frekuensi berbeda dapat dihitung. Kemudian ekstrak tegangan pada permukaan keramik piezoelektrik hidrofon, dan hitung tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon yang sesuai melalui rumus. Karena hidrofon bekerja dalam keadaan sirkuit terbuka, puncak sensitivitas penerimaan hidrofon berada pada frekuensi anti resonansinya, dan tingkat sensitivitas penerimaan a hidrofon bawah air dengan ukuran tertentu disimulasikan.

 

Dari hasil simulasi terlihat kurva tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon dengan struktur ini relatif datar pada pita frekuensi rendah. Selanjutnya kita akan mempelajari perubahan dimensi setiap bagian hidrofon, dan pengaruh frekuensi anti resonansi serta tingkat sensitivitas penerimaan frekuensi rendah dari Pengaruh hidrofon. Mengambil parameter geometris PZT dan cakram logam dalam tri-stack, dan jenis bahan logam sebagai variabel, ukuran dan tingkat fluktuasi tingkat sensitivitas penerimaan tekanan suara hidrofon yang dirancang pada pita frekuensi rendah diambil sebagai tujuannya, dan hidrofon dijalankan. Desain hidrofon yang dioptimalkan berupaya membuat tingkat sensitivitas penerimaan tekanan suara hidrofon pada pita frekuensi rendah setinggi mungkin dan fluktuasi sekecil mungkin. Variabel yang digunakan dalam analisis simulasi metode variabel terkontrol adalah: 1) sifat material ketiga cakram logam laminasi; 2) perbandingan jari-jari PZT dengan jari-jari lembaran logam; 3) perbandingan ketebalan PZT dengan ketebalan lembaran logam; 4) ketebalan ketiga lembar laminasi tersebut memiliki ketebalan yang sama dibandingkan dengan jari-jarinya.

 

2.3.1 Jenis PZT dan jenis lembaran logam

Ubah jenis cakram logam di tengah tiga laminasi, dan dapatkan frekuensi anti resonansi dan kurva tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon dalam air dengan perhitungan simulasi. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 6.

Dapat dilihat dari Tabel 1 bahwa ketika modulus Young dari logam yang dipilih meningkat secara bertahap, frekuensi anti-resonansi hidrofon secara bertahap meningkat. Dapat dilihat dari Gambar 6 bahwa ketika modulus Young pada lembaran logam meningkat secara bertahap, tingkat sensitivitas penerimaan pita frekuensi rendah hidrofon secara bertahap menurun.

 

2.3.2 Rasio radius PZT terhadap radius lembaran logam

Jaga agar ketebalan PZT dan lembaran logam perantara tidak berubah, dan ambil jari-jari lembaran logam perantara sebagai 20 mm. Ketika hanya radius PZT yang diubah, kurva frekuensi anti resonansi hidrofon dan tingkat sensitivitas penerimaan di dalam air ditunjukkan pada Gambar 7 dan 8.

Dapat dilihat dari Gambar 7 bahwa dengan bertambahnya jari-jari PZT, frekuensi anti-resonansi hidrofon di dalam air secara bertahap meningkat, dan ketika mendekati 20 mm, frekuensi anti-resonansi hampir tidak meningkat. Gambar 8 menunjukkan bahwa semakin besar radius PZT, tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon pada pita frekuensi rendah secara bertahap menurun, tetapi tingkat penurunannya tidak besar, dan fluktuasinya lebih datar. 2.3.3 Rasio ketebalan PZT terhadap ketebalan logam menjaga PZT dan jari-jari lembaran logam tengah tidak berubah. Ketebalan lembaran logam tengah adalah 1 mm, dan hanya ketebalan PZT yang diubah. Kurva frekuensi anti resonansi dan tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon dalam air ditunjukkan pada Gambar 9 dan 10.

 

Terlihat dari Gambar 9 bahwa dengan bertambahnya ketebalan PZT maka frekuensi anti resonansi hidrofon dalam air berangsur-angsur meningkat. Ketika mencapai ketebalan yang sama dengan lembaran logam 1 mm, frekuensi anti resonansi mencapai maksimum, dan ketebalan PZT terus meningkat. Frekuensi anti-resonansi hidrofon malah menurun. Dapat dilihat dari Gambar 10(a) bahwa dengan bertambahnya ketebalan PZT dari 0,2 mm menjadi 0,5 mm, tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon pada pita frekuensi rendah secara bertahap meningkat, dan fluktuasi menjadi lebih datar. Namun, ketika ketebalan PZT 0,4 mm, situasinya menjadi istimewa, dan tingkat sensitivitas penerimaan pita frekuensi rendah tiba-tiba menurun; dari Gambar 10(b), dapat dilihat bahwa ketika ketebalan PZT meningkat dari 0,5 mm menjadi 1,5 mm, sensitivitas penerimaan frekuensi rendah dari hidrofon Tingkat tersebut secara bertahap menurun, dan fluktuasinya hampir tidak berubah.

 

2.3.4 Rasio ketebalan terhadap jari-jari tiga lembar laminasi dengan ketebalan yang sama

Ketika ketebalan lembaran logam di lapisan tengah sama dengan ketebalan PZT, koefisien kopling elektromekanis ekuivalen dari lembaran tiga lapis adalah yang terbesar. Selanjutnya, pengaruh rasio ketebalan terhadap jari-jari lembaran tiga lapis dengan ketebalan yang sama terhadap pengoperasian hidrofon di bawah air dianalisis. Jaga agar ketebalan dan jari-jari ketiga lembaran logam laminasi dengan ketebalan yang sama tidak berubah, jari-jari PZT tidak berubah, jaga PZT dan ketebalan logam tetap sama, dan hanya ubah ketebalan PZT (lembaran logam). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11 dan 12.

 

Terlihat dari Gambar 11 bahwa seiring bertambahnya ketebalan PZT (lembaran logam), maka frekuensi anti resonansi dalam air hidrofon berangsur-angsur meningkat. Pada Gambar 12, seiring dengan bertambahnya ketebalan PZT (lembaran logam), tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon pada pita frekuensi rendah secara bertahap menurun, dan fluktuasi secara bertahap menjadi lebih kecil.

 

2.3.5 Analisis keteraturan

Hukum perubahan respons yang diperoleh dalam proses optimasi di atas dapat diringkas sebagai berikut: 1) Ketika modulus Young dari cakram logam tengah meningkat secara bertahap, frekuensi anti-resonansi dari hidrofon komunikasi bawah air secara bertahap menjadi lebih besar, dan tingkat sensitivitas penerimaan pita frekuensi rendah menjadi lebih kecil dan berfluktuasi. 2) Ketika rasio PZT terhadap radius lembaran logam menjadi lebih besar, frekuensi anti-resonansi hidrofon dalam air menjadi lebih besar, tingkat sensitivitas penerimaan pita frekuensi rendah menurun, dan fluktuasi menjadi lebih kecil; 3) Ketika rasio ketebalan PZT terhadap ketebalan lembaran logam menjadi lebih besar, frekuensi anti-resonansi hidrofon dalam air pertama-tama meningkat dan kemudian menurun, mencapai nilai puncak pada rasio 1, dan tingkat sensitivitas penerimaan frekuensi rendah pertama-tama meningkat dan kemudian menurun, mencapai puncak pada rasio sekitar 0,5, dan fluktuasi frekuensi rendah secara bertahap menurun; 4) dll. Dalam laminasi rangkap tiga yang tebal, rasio ketebalan terhadap jari-jari PZT (lembaran logam) menjadi lebih besar, frekuensi anti-resonansi hidrofon dalam air menjadi lebih besar, tingkat sensitivitas penerimaan pada pita frekuensi rendah menjadi lebih kecil, dan fluktuasi menjadi lebih kecil. Secara umum, semakin besar ukuran transduser, semakin kecil frekuensi resonansinya, dan frekuensi resonansi dasar hidrofon meningkat seiring dengan bertambahnya radius atau ketebalan PZT. Hal ini karena hidrofon menggunakan tiga mode getaran lentur dari lembaran laminasi. Faktor utama yang mempengaruhi mode getaran ini adalah kekakuan tripleks. Ketika jari-jari atau ketebalan PZT bertambah maka kekakuan seluruh tripleks menjadi lebih besar, sehingga resonansi mode getaran lentur tripleks Frekuensinya akan semakin besar sehingga membuat frekuensi resonansi hidrofon semakin besar. Ketinggian cincin logam yang dijepit di tengah hidrofon jauh lebih kecil dari diameter lembaran tiga lapis, dan tidak ikut serta dalam getaran lentur lembaran tiga lapis, sehingga dampaknya terhadap hidrofon kecil.

 

2.4 Hasil akhir

Berdasarkan hukum pengaruh yang disebutkan di atas melalui optimalisasi struktur, dan dengan mempertimbangkan kesulitan proses produksi sebenarnya dari berbagai bagian hidrofon, parameter ukuran berbagai bagian hidrofon akhirnya ditentukan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2. Gunakan perangkat lunak COMSOL untuk mensimulasikan dan menghitung kurva impedansi hidrofon dalam air. Frekuensi anti resonansi adalah 5,2 kHz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.

 

 

 

 

Gunakan perangkat lunak COMSOL untuk mensimulasikan dan menghitung tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon pada rentang frekuensi 100 Hz hingga 6 kHz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.

Menggunakan software COMSOL untuk mensimulasikan dan menghitung tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon pada rentang frekuensi 100 Hz hingga 6 kHz, seperti terlihat pada Gambar 14.

Pada pita frekuensi rendah 100 Hz~2,5 kHz, tingkat sensitivitas penerimaan hidrofon adalah sekitar −178 dB, dan fluktuasinya kurang dari 3 dB, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15. Ketika panjang gelombang gelombang suara jauh lebih besar daripada skala linier maksimum transduser, transduser tidak memiliki directivity. Pada pita frekuensi kerja hidrofon, panjang gelombang minimum pada frekuensi gelombang bunyi 2,5 kHz adalah 0,6 m, lebih besar dari ukuran maksimum hidrofon sebesar 0,045 m, maka hidrofon dianggap tidak mempunyai directivity saat menerima gelombang bunyi.

 

3 Produksi dan pengujian hidrofon

Berdasarkan parameter struktur akhir hidrofon yang dioptimasi oleh COMSOL, komponen struktur diproses dan dibuat prototipe hidrofon, seperti terlihat pada Gambar 16. Setelah dipot, diameter hidrofon menjadi 45 mm dan tebal 12 mm.

Uji kinerja hidrofon dilakukan pada kolam anechoic, ukuran kolam 25 m × 16 m × 10 m, metode perbandingan digunakan untuk pengukuran, dan hidrofon standar (B&K 8105) digunakan untuk pengukuran perbandingan. Transmisi sinyal pulsa diadopsi, dan jarak antara transduser transmisi dan hidrofon standar adalah 1,5 m (memenuhi kondisi medan jauh), dan ditempatkan di sepanjang kolam dengan kedalaman gantung 4 m. Kurva masuk dalam air prototipe hidrofon akhirnya diukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 17.

 

 

Terlihat pada Gambar 17 frekuensi anti resonansi prototipe hidrofon adalah 3,3 kHz. Karena keterbatasan batas bawah frekuensi gelombang suara sehingga transduser pemancar yang digunakan hanya dapat mentransmisikan gelombang suara 500 Hz, maka frekuensi terendah kurva tingkat sensitivitas penerimaan air ukur adalah 500 Hz, seperti terlihat pada Gambar 18.

Terlihat dari Gambar 18 bahwa pada pita frekuensi 500 Hz ~ 2,5 kHz, tingkat sensitivitas penerima hidrofon paling banyak −178 dB, dan fluktuasinya kurang dari 4 dB. Perbedaan antara hasil pengukuran dan simulasi frekuensi anti resonansi hidrofon terutama disebabkan oleh permukaan prototipe hidrofon yang dilapisi dengan lapisan karet poliuretan kedap air setebal 2 mm, yang akan meningkatkan kualitas getaran setara hidrofon. Sulit untuk mensimulasikan bahan viskoelastik ini pada perangkat lunak simulasi COMSOL. Keakuratan perakitan bagian struktural dan proses pengikatan juga akan berdampak tertentu pada kinerja hidrofon. Kedua faktor di atas menyebabkan perbedaan antara data terukur dan nilai simulasi elemen hingga. . Bandingkan data pengukuran tingkat sensitivitas penerimaan pada pita frekuensi 500 Hz~2,5 kHz dengan hasil simulasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19. Pada pita frekuensi ini, tingkat sensitivitas penerimaan maksimum yang diukur adalah −178 dB, dan fluktuasinya kurang dari 4 dB. Data yang diukur dan nilai yang disimulasikan Trennya sama, dan data yang diukur berfluktuasi sedikit lebih besar dari nilai yang disimulasikan.

Mengenai uji sensitivitas penerimaan hidrofon pada azimuth yang berbeda, tingkat sensitivitas penerimaan aksial dan radial dari hidrofon diuji masing-masing. Hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 20. Tingkat sensitivitas penerimaan kurang lebih sama, dan dapat dianggap bahwa hidrofon tidak memiliki directivity pada pita frekuensi kerja 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Kesimpulan

1) Merancang dan memproduksi hidrofon lentur frekuensi rendah. Hidrofon pengukur memiliki tingkat sensitivitas penerimaan −178 dB pada pita frekuensi 500Hz−2,5 kHz, dan fluktuasinya kurang dari 4 dB. 2. Hidrofon pembengkokan frekuensi rendah berukuran kecil telah menyadari karakteristik penerimaan gelombang suara dengan sensitivitas lebih tinggi, yang memiliki arti penting dalam penerapan struktur cakram pembengkok pada hidrofon.