Ricerca sull'idrofono curvo a bassa frequenza

Per ricevere onde sonore a bassa frequenza con elevata sensibilità, è stato studiato un idrofono flessionale a tre laminazioni a doppia faccia, applicando il software agli elementi finiti COMSOL alla progettazione di simulazione e ottimizzazione dell'idrofono curvo. È stata analizzata l'influenza di ogni parte sul grado di sensibilità di ricezione dell'idrofono per fornire lo schema ottimale. Infine, abbiamo prodotto un prototipo di idrofono e lo abbiamo testato in acqua. La dimensione massima del prototipo dell'idrofono era di 45 mm. I risultati dell'esperimento mostrano che nell'intervallo di frequenza di ricezione compreso tra 500 Hz e 2,5 kHz, il grado massimo di sensibilità alla pressione di ricezione era di -178 dB, con ondulazione inferiore a 4 dB. Il risultato dell'esperimento è lo stesso della simulazione.

 

Come un dispositivo di ricezione del segnale del trasduttore acustico subacqueo , un idrofono a pressione sonora può essere utilizzato per catturare sottili cambiamenti nei segnali di pressione sonora subacquea, generando un'uscita di tensione proporzionale alla pressione sonora e convertire l'energia sonora in segnali elettrici facili da osservare. L'attrezzatura chiave per il normale funzionamento del sistema sonar è un'attrezzatura indispensabile e necessaria nella ricerca acustica subacquea. Tuttavia, gli idrofoni esistenti a bassa frequenza e ad alta sensibilità hanno spesso dimensioni relativamente grandi. La struttura a tre dischi del trasduttore, la modalità di vibrazione flettente domina la vibrazione, ha le caratteristiche di bassa frequenza di risonanza, dimensioni ridotte, struttura semplice e così via. Tuttavia, nell'applicazione del disco a tre strati, viene utilizzato maggiormente sul trasduttore trasmittente o sull'idrofono vettoriale e meno sull'idrofono a pressione acustica. Lo svantaggio degli idrofoni bending a bassa frequenza è che la banda di frequenza di lavoro è molto stretta, ma come gli idrofoni disponibili in commercio, la larghezza di banda è molto ampia, ma il livello di sensibilità non è elevato. Se è necessario ricevere le onde sonore solo in una specifica banda a bassa frequenza, le lamine vengono piegate. L'idrofono con la struttura strutturata ha il vantaggio di un elevato livello di sensibilità e ha il suo valore d'uso. Questo documento intende progettare un idrofono curvo a tre laminazioni, che sfrutta le dimensioni ridotte e il basso punto di risonanza del disco a tre laminazioni e adotta la forma di progettazione di collegare due dischi a tre laminazioni superiori e inferiori in parallelo e regola la frequenza fondamentale attraverso l'ottimizzazione delle dimensioni. La posizione del punto di risonanza viene sfruttata per realizzare un idrofono di piccole dimensioni con elevata sensibilità di risposta nella banda delle basse frequenze.

 

 

1 Il design dell'idrofono curvo a tre laminazioni

Idrofono piegante a tre laminazioni, la parte centrale è un anello di metallo, l'anello di metallo collega simmetricamente due dischi a tre laminazioni su e giù, la ceramica piezoelettrica dei dischi a tre laminazioni è collegata in serie e i due dischi a tre laminazioni superiore e inferiore sono collegati in serie. Attraverso la connessione parallela, questa struttura può far vibrare l'idrofono in modo simmetrico ed è facile da assemblare e produrre.

 

2 Simulazione agli elementi finiti di un idrofono

Il software di simulazione multifisica agli elementi finiti COMSOL, con modulo di interazione acustico-piezoelettrico, può essere utilizzato per analizzare problemi multifisici come l'accoppiamento fluido-struttura nel campo sonoro delle onde piane o delle onde sferiche e può simulare direttamente la scena di lavoro di Trasduttore idrofono che riceve le onde sonore nell'acqua. E può estrarre la tensione corrispondente della superficie ceramica piezoelettrica dell'idrofono per calcolare la sensibilità di ricezione. Questo articolo utilizza il software COMSOL per analizzare e progettare l'idrofono curvo.

 

2.1 Modello di simulazione agli elementi finiti dell'idrofono

Utilizza il software di simulazione multifisica COMSOL per eseguire l'analisi degli elementi finiti sull'idrofono progettato. Innanzitutto, stabilire il modello agli elementi finiti dell'idrofono e ignorare lo strato di legame tra la ceramica piezoelettrica e il metallo, lo strato di legame tra i metalli e la gomma poliuretanica inserita nello strato più esterno nella modellazione. Stabilire un modello tridimensionale dell'idrofono con colla e fili di elettrodi saldati, scegliendo PZT-5 come materiale ceramico piezoelettrico, scegliere duralluminio, rame o acciaio come materiale per il disco metallico centrale e scegliere rame come materiale per l'anello metallico centrale.

 

2.2 Ricerca sul modo di vibrazione dell'idrofono

Utilizzando il software COMSOL per analizzare la frequenza caratteristica dell'idrofono, è possibile ottenere in modo intuitivo la frequenza caratteristica e lo spostamento delle vibrazioni delle diverse modalità di vibrazione dell'idrofono. Il diagramma schematico include la posizione relativa di ciascuna parte dell'idrofono in ciascuna modalità di vibrazione. I risultati di queste analisi aiutano a comprendere meglio il principio di funzionamento dell'idrofono. La vibrazione della modalità di vibrazione del primo ordine di un idrofono di una certa dimensione. Questa modalità di vibrazione è la modalità in cui l'idrofono riceve onde sonore.

 

 

2.3 Progetto di ottimizzazione strutturale dell'idrofono

Utilizzo del software COMSOL per simulare e analizzare le prestazioni di lavoro dell'idrofono in acqua. È possibile stabilire direttamente un'area d'acqua con un raggio di 0,05 m attorno all'idrofono, quindi impostare un campo di fondo piano dell'onda sonora con una pressione sonora di 1 Pa nell'area dell'acqua per simulare lo scenario di funzionamento effettivo dell'idrofono in acqua, il modello subacqueo stabilito dell'idrofono è mostrato nella Figura 4. Nell'impostazione dell'analisi COMSOL, la fase di ricerca seleziona il dominio della frequenza, in modo che sia possibile analizzare la risposta dell'intero sistema lineare quando sottoposto a semplice eccitazione armonica e la tensione eccitata dall'idrofono sotto l'azione delle onde sonore di diverse frequenze può essere calcolato. Quindi estrarre la tensione sulla superficie ceramica piezoelettrica dell'idrofono e calcolare il corrispondente livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono attraverso una formula. Poiché l'idrofono funziona in uno stato di circuito aperto, il picco della sensibilità di ricezione dell'idrofono è alla sua frequenza anti-risonanza e il livello di sensibilità di ricezione di un un idrofono subacqueo di una certa dimensione. viene simulato

 

Dai risultati della simulazione si può vedere che la curva del livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono con questa struttura è relativamente piatta nella banda delle basse frequenze. Successivamente, studieremo i cambiamenti dimensionali di ciascuna parte dell'idrofono e l'effetto della frequenza anti-risonanza e del livello di sensibilità di ricezione a bassa frequenza dell'influenza dell'idrofono. Prendendo come variabili i parametri geometrici del PZT e dei dischi metallici nel tri-stack e il tipo di materiali metallici, si prendono come obiettivo la dimensione e il grado di fluttuazione del livello di sensibilità di ricezione della pressione sonora dell'idrofono progettato nella banda a bassa frequenza e si esegue l'idrofono. Il design ottimizzato dell'idrofono mira a rendere il livello di sensibilità di ricezione della pressione sonora dell'idrofono nella banda delle basse frequenze il più alto possibile e le fluttuazioni il più piccole possibile. Le variabili utilizzate nell'analisi di simulazione del metodo delle variabili controllate sono: 1) le proprietà del materiale dei tre dischi metallici laminati; 2) il rapporto tra il raggio PZT e il raggio della lamiera; 3) il rapporto tra lo spessore del PZT e lo spessore della lamiera; 4) lo spessore dei tre fogli laminati di uguale spessore rispetto al raggio.

 

2.3.1 Tipologie di PZT e tipologie di lamiere

Cambiare il tipo di disco metallico al centro delle tre laminazioni e ottenere la frequenza di antirisonanza e la curva del livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono in acqua mediante calcolo di simulazione. I risultati sono mostrati nella Tabella 1 e nella Figura 6.

Dalla Tabella 1 si può vedere che man mano che aumenta gradualmente il modulo di Young del metallo selezionato, aumenta gradualmente la frequenza antirisonante dell'idrofono. Dalla Fig. 6 si può vedere che man mano che il modulo di Young della lamiera aumenta gradualmente, il livello di sensibilità di ricezione della banda a bassa frequenza dell'idrofono diminuisce gradualmente.

 

2.3.2 Rapporto tra il raggio PZT e il raggio della lamiera

Mantenere invariato lo spessore del PZT e della lamiera intermedia e assumere il raggio della lamiera intermedia pari a 20 mm. Quando viene modificato solo il raggio PZT, le curve della frequenza di antirisonanza dell'idrofono e del livello di sensibilità di ricezione nell'acqua sono mostrate nelle Figure 7 e 8.

Dalla Fig. 7 si può vedere che all'aumentare del raggio del PZT, la frequenza antirisonante dell'idrofono nell'acqua aumenta gradualmente e quando si avvicina a 20 mm la frequenza antirisonante difficilmente aumenta. La Figura 8 mostra che quando il raggio PZT diventa più ampio, il livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono nella banda a bassa frequenza diminuisce gradualmente, ma il grado di diminuzione non è grande e le fluttuazioni sono più piatte. 2.3.3 Il rapporto tra lo spessore del PZT e lo spessore del metallo mantiene invariati il ​​PZT e il raggio della lamiera centrale. Lo spessore della lamiera centrale è 1 mm e viene modificato solo lo spessore PZT. La frequenza antirisonanza e la curva del livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono in acqua sono mostrati nelle Figure 9 e 10.

 

Dalla Figura 9 si può vedere che all'aumentare dello spessore del PZT aumenta gradualmente la frequenza antirisonante dell'idrofono nell'acqua. Quando raggiunge lo spessore della lamiera di 1 mm, la frequenza antirisonante raggiunge il massimo e lo spessore del PZT continua ad aumentare. Diminuisce invece la frequenza antirisonante dell'idrofono. Dalla Figura 10 (a) si può vedere che quando lo spessore del PZT aumenta da 0,2 mm a 0,5 mm, il livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono nella banda a bassa frequenza aumenta gradualmente e le fluttuazioni diventano più piatte. Tuttavia, quando lo spessore del PZT è 0,4 mm, la situazione è speciale e il livello di sensibilità di ricezione della banda a bassa frequenza diminuisce improvvisamente; dalla Figura 10(b), si può vedere che quando lo spessore del PZT aumenta da 0,5 mm a 1,5 mm, la sensibilità di ricezione a bassa frequenza dell'idrofono. Il livello diminuisce gradualmente e la fluttuazione rimane quasi invariata.

 

2.3.4 Rapporto tra spessore e raggio di tre fogli laminati di uguale spessore

Quando lo spessore della lamiera nello strato intermedio è uguale allo spessore del PZT, il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico equivalente del foglio a tre strati è maggiore. Successivamente, viene analizzata l'influenza del rapporto spessore/raggio del foglio a tre strati di uguale spessore sul funzionamento subacqueo dell'idrofono. Mantenere invariato lo spessore e il raggio delle tre lamiere laminate di uguale spessore, invariato il raggio PZT, mantenere uguali il PZT e lo spessore del metallo e modificare solo lo spessore del PZT (lamiera). Come mostrato nelle Figure 11 e 12.

 

Dalla Figura 11 si può vedere che all'aumentare dello spessore del PZT (lamiera) aumenta gradualmente la frequenza antirisonante nell'acqua dell'idrofono. Nella Figura 12, man mano che lo spessore del PZT (lamiera metallica) aumenta gradualmente, il livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono nella banda a bassa frequenza diminuisce gradualmente e le fluttuazioni diventano gradualmente più piccole.

 

2.3.5 Analisi di regolarità

La legge di variazione della risposta ottenuta nel processo di ottimizzazione di cui sopra può essere riassunta come segue: 1) Man mano che il modulo di Young del disco metallico medio aumenta gradualmente, la frequenza antirisonante di L'idrofono per comunicazioni subacquee diventa gradualmente più grande e il livello di sensibilità di ricezione della banda a bassa frequenza diventa più piccolo e fluttua. 2) Man mano che il rapporto tra il PZT e il raggio della lamiera aumenta, la frequenza anti-risonante dell'idrofono nell'acqua diventa maggiore, il livello di sensibilità di ricezione della banda a bassa frequenza diminuisce e la fluttuazione diventa minore; 3) Man mano che il rapporto tra lo spessore del PZT e lo spessore della lamiera diventa maggiore, la frequenza anti-risonante dell'idrofono nell'acqua prima aumenta e poi diminuisce, raggiungendo il valore di picco con un rapporto di 1, e il livello di sensibilità di ricezione a bassa frequenza prima aumenta e poi diminuisce, raggiungendo il picco con un rapporto di circa 0,5, e le fluttuazioni a bassa frequenza diminuiscono gradualmente; 4) ecc. Nel triplo laminato spesso, man mano che il rapporto tra lo spessore e il raggio del PZT (lamiera metallica) aumenta, la frequenza anti-risonante dell'idrofono nell'acqua diventa maggiore, il livello di sensibilità di ricezione nella banda a bassa frequenza diminuisce e la fluttuazione diminuisce. In generale, maggiore è la dimensione del trasduttore, minore è la sua frequenza di risonanza e la frequenza di risonanza fondamentale dell'idrofono aumenta con l'aumento del raggio o dello spessore del PZT. Questo perché l'idrofono utilizza tre modalità di vibrazione flessionale del foglio laminato. Il principale fattore che influenza questa modalità di vibrazione è la rigidità del triplex. Quando il raggio o lo spessore del PZT aumenta, la rigidità dell'intero triplex diventa maggiore, quindi la risonanza della modalità di vibrazione flessionale triplex. La frequenza diventerà maggiore, aumentando la frequenza di risonanza dell'idrofono. L'altezza dell'anello metallico fissato al centro dell'idrofono è molto inferiore al diametro del foglio a tre strati e non partecipa alla vibrazione di flessione del foglio a tre strati, quindi l'impatto sull'idrofono è piccolo.

 

2.4 Risultato finale

Secondo la legge di influenza sopra menzionata attraverso l'ottimizzazione strutturale e tenendo conto della difficoltà dell'effettivo processo di produzione delle varie parti dell'idrofono, i parametri dimensionali delle varie parti dell'idrofono vengono infine determinati come mostrato nella Tabella 2. Utilizzare il software COMSOL per simulare e calcolare la curva di impedenza dell'idrofono in acqua. La frequenza antirisonante è 5,2 kHz, come mostrato nella Figura 13.

 

 

 

 

Utilizzare il software COMSOL per simulare e calcolare il livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono nell'intervallo di frequenza compreso tra 100 Hz e 6 kHz, come mostrato nella Figura 14.

Utilizzando il software COMSOL per simulare e calcolare il livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono nell'intervallo di frequenza da 100 Hz a 6 kHz, come mostrato nella Figura 14.

Nella banda a bassa frequenza 100 Hz~2,5 kHz, il livello di sensibilità di ricezione dell'idrofono è di circa −178 dB e la fluttuazione è inferiore a 3 dB, come mostrato nella Figura 15. Quando la lunghezza d'onda dell'onda sonora è molto maggiore della scala lineare massima del trasduttore, il trasduttore non ha direttività. Nella banda di frequenza di lavoro dell'idrofono, la lunghezza d'onda minima quando la frequenza dell'onda sonora è 2,5 kHz è 0,6 m, che è maggiore della dimensione massima dell'idrofono di 0,045 m, si può considerare che l'idrofono non ha direttività quando riceve onde sonore.

 

3 Produzione e collaudo dell'idrofono

In base ai parametri strutturali finali dell'idrofono ottimizzati da COMSOL, i componenti strutturali sono stati elaborati ed è stato realizzato il prototipo dell'idrofono, come mostrato nella Figura 16. Dopo l'invasatura, il diametro dell'idrofono è di 45 mm e lo spessore è di 12 mm.

Il test delle prestazioni dell'idrofono è stato eseguito in una piscina anecoica, la dimensione della piscina era 25 m × 16 m × 10 m, per la misurazione è stato utilizzato il metodo di confronto e per la misurazione di confronto è stato utilizzato un idrofono standard (B&K 8105). Viene adottata la trasmissione del segnale a impulsi e la distanza tra il trasduttore trasmittente e l'idrofono standard è di 1,5 m (soddisfacendo le condizioni di campo lontano) ed è posizionato lungo la lunghezza della piscina con una profondità di sospensione di 4 m. La curva di ammettenza in acqua dell'idrofono prototipo viene infine misurata come mostrato in Figura 17.

 

 

Dalla Figura 17 si può vedere che la frequenza antirisonante del prototipo dell'idrofono è di 3,3 kHz. A causa della limitazione del limite inferiore della frequenza dell'onda sonora, per cui il trasduttore di trasmissione utilizzato può trasmettere solo un'onda sonora a 500 Hz, la frequenza più bassa della curva del livello di sensibilità di ricezione dell'acqua di misurazione è 500 Hz, come mostrato nella Figura 18.

Dalla Figura 18 si può vedere che nella banda di frequenza 500 Hz ~ 2,5 kHz, il livello di sensibilità del ricevitore dell'idrofono è al massimo −178 dB e la fluttuazione è inferiore a 4 dB. La differenza tra i risultati di misurazione e quelli simulati della frequenza antirisonante dell'idrofono è dovuta principalmente al fatto che la superficie del prototipo dell'idrofono è ricoperta da uno strato di gomma poliuretanica impermeabile con uno spessore di 2 mm, che aumenterà la qualità di vibrazione equivalente dell'idrofono. È difficile simulare questo materiale viscoelastico sul software di simulazione COMSOL. Anche la precisione di assemblaggio delle parti strutturali e il processo di incollaggio avranno un certo impatto sulle prestazioni dell'idrofono. I due fattori precedenti causano la differenza tra i dati misurati e il valore di simulazione degli elementi finiti. . Confrontare i dati misurati del livello di sensibilità di ricezione nella banda di frequenza 500 Hz~2,5 kHz con i risultati della simulazione, come mostrato nella Figura 19. In questa banda di frequenza, il livello di sensibilità di ricezione massimo misurato è −178 dB e la fluttuazione è inferiore a 4 dB. I dati misurati e il valore simulato La tendenza è la stessa e i dati misurati fluttuano leggermente più del valore simulato.

Per quanto riguarda il test di sensibilità di ricezione dell'idrofono in diversi azimut, sono stati testati rispettivamente i livelli di sensibilità di ricezione assiale e radiale dell'idrofono. I risultati del test sono mostrati nella Figura 20. Il livello di sensibilità di ricezione è più o meno lo stesso e si può considerare che l'idrofono non ha direttività nella banda di frequenza operativa di 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Conclusione

1) Progettazione e produzione di un idrofono bending a bassa frequenza. L'idrofono di misurazione ha un livello di sensibilità di ricezione di −178 dB nella banda di frequenza 500Hz−2,5 kHz e la fluttuazione è inferiore a 4 dB. 2. L'idrofono flessibile a bassa frequenza di piccole dimensioni ha realizzato le caratteristiche di ricezione delle onde sonore con maggiore sensibilità, che ha un significato guida per l'applicazione della struttura del disco flessibile nell'idrofono.