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低周波音波を高感度で受信するために、有限要素ソフトウェアCOMSOLを湾曲ハイドロフォンのシミュレーションと最適化設計に適用し、両面3層の屈曲ハイドロフォンを研究しました。ハイドロフォンの受信感度グレードに対する各部品の影響を分析し、最適なスキームを提供しました。最後に、水中聴音器のプロトタイプを作成し、水中でテストしました。水中聴音器プロトタイプの最大サイズは 45 mm でした。実験の結果、受信周波数範囲５００Ｈｚ〜２．５ｋＨｚにおいて、最大受信圧感度等級は−１７８ｄＢであり、波打ちは４ｄＢ未満であった。実験結果はシミュレーション結果と同じでした。
として 水中音響トランスデューサー 信号受信装置である音圧ハイドロホンは、水中音圧信号の微妙な変化を捕捉し、音圧に比例した電圧出力を生成し、音エネルギーを観測しやすい電気信号に変換するために使用できます。ソナーシステムの正常な動作のための重要な機器は、水中音響研究において不可欠かつ必要な機器です。しかし、既存の低周波高感度ハイドロホンは比較的大型のものが多い。トランスデューサは 3 枚重ねのディスク構造で、曲げ振動モードが振動を支配し、共振周波数が低く、サイズが小さく、構造が簡単であるなどの特徴があります。ただし、3 スタック ディスクの用途では、送信トランスデューサまたはベクトル ハイドロフォンでの使用が多く、音圧ハイドロフォンではあまり使用されません。低周波屈曲ハイドロフォンの欠点は、使用周波数帯域が非常に狭いことですが、市販のハイドロフォンと同様、帯域幅は非常に広いですが、感度レベルは高くありません。特定の低周波数帯域のみの音波を受信する必要がある場合は、積層板を曲げます。構造的な構造を備えたハイドロホンは、感度レベルが高いという利点があり、その使用価値があります。本論文は、三層円板の小型で共振点が低いという利点を生かし、上下二枚の三積層円板を並列に接続する設計形式を採用し、サイズの最適化により基本周波数を調整する三積層曲面水中聴音器を設計することを目的としている。共振点の位置を利用して、低周波数帯域で高感度応答の小型ハイドロフォンを実現しました。
1 3層積層曲面ハイドロフォンの設計
三層屈曲ハイドロフォン、中央部分は金属リングであり、金属リングは上下二枚の三層円板を対称に結合し、三層円板の圧電セラミックスは直列に接続され、上下二枚の三層円板は直列に接続されている。この構造は並列接続によりハイドロフォンを対称に振動させることができ、組み立てや製造が容易です。
2 水中聴音器の有限要素シミュレーション
COMSOL マルチフィジックス シミュレーション有限要素ソフトウェアは、音響-圧電相互作用モジュールを備えており、平面波または球面波音場における流体構造結合などのマルチフィジックス問題の解析に使用でき、作業シーンを直接シミュレートできます。 ハイドロフォントランスデューサー。 水中で音波を受信するまた、ハイドロフォンの圧電セラミック表面の対応する電圧を抽出して受信感度を計算できます。この記事では、COMSOL ソフトウェアを使用して、湾曲した水中聴音器を解析および設計します。
2.1 水中聴音器の有限要素シミュレーションモデル
COMSOL マルチフィジックス シミュレーション ソフトウェアを使用して、設計された水中聴音器に対して有限要素解析を実行します。まず、ハイドロフォンの有限要素モデルを確立し、圧電セラミックと金属の間の接着層、金属間の接着層、最外層にポッティングされたポリウレタンゴムを無視してモデル化します。接着剤と溶接された電極線を使用してハイドロフォンの三次元モデルを確立し、圧電セラミック材料として PZT-5 を選択し、中間金属ディスクの材料としてジュラルミン、銅または鋼を選択し、中間金属ディスクの材料として銅を選択します。真ん中のメタルリング。
2.2 水中聴音器の振動モードに関する研究
COMSOL ソフトウェアを使用してハイドロホンの固有周波数を分析すると、ハイドロホンのさまざまな振動モードの固有周波数と振動変位を直感的に取得できます。概略図には、各振動モードにおけるハイドロホンの各部の相対位置が含まれています。これらの分析結果は、水中聴音器の動作原理をより深く理解するのに役立ちます。ある大きさの水中聴音器の一次振動モードの振動。この振動モードは、ハイドロフォンが音波を受信するときのモードです。
2.3 水中聴音器の構造最適化設計
COMSOL ソフトウェアを使用して、水中での水中聴音器の動作パフォーマンスをシミュレーションおよび分析します。ハイドロフォンの周囲に半径 0.05 m の水域を直接設定し、水域内に音圧 1 Pa の平面音波背景場を設定して、水中でのハイドロフォンの実際の動作シナリオをシミュレートできます。確立されたハイドロフォンの水中モデルを図 4 に示します。COMSOL 解析設定では、リサーチ ステップで周波数ドメインを選択するため、単調波励起を受けたときの線形システム全体の応答と、高調波励振によって励起される電圧を解析できます。さまざまな周波数の音波の作用下での水中聴音器を計算できます。次に、ハイドロフォンの圧電セラミック表面の電圧を抽出し、式によって対応するハイドロフォンの受信感度レベルを計算します。ハイドロフォンは開回路状態で動作するため、ハイドロフォンの受信感度のピークは反共振周波数であり、受信感度レベルは 水中ハイドロフォンをシミュレートします。 一定サイズの
シミュレーション結果から、この構造の水中聴音器の受信感度レベルカーブは、低周波数帯域において比較的平坦であることがわかります。次に、ハイドロフォンの各部の寸法変化と、ハイドロフォンの反共振周波数と低周波受信感度レベルの影響を検討します。 PZTとトライスタックの金属ディスクの幾何学的パラメータと金属材料の種類を変数として、設計されたハイドロフォンの低周波数帯域における音圧受信感度レベルの大きさと変動度を目標として、ハイドロフォンを実行します。ハイドロフォンの最適化設計は、ハイドロフォンの低周波数帯域における音圧受信感度レベルを可能な限り高くし、変動を可能な限り小さくすることを目指しています。制御変数法のシミュレーション解析で使用される変数は次のとおりです。 1) 3 枚の積層金属ディスクの材料特性。 2) PZT の半径と金属シートの半径の比。 ３）金属シートの厚さに対するＰＺＴの厚さの比。 4) 半径と比較した等しい厚さの 3 枚の積層シートの厚さ。
2.3.1 PZTの種類と金属板の種類
3枚の積層体の中央にある金属円板の種類を変更し、水中でのハイドロホンの反共振周波数と受信感度レベル曲線をシミュレーション計算により求めます。結果を表 1 および図 6 に示します。
表 1 から、選択した金属のヤング率が徐々に増加するにつれて、ハイドロフォンの反共振周波数が徐々に増加することがわかります。図６から、金属シートのヤング率が徐々に増加するにつれて、水中聴音器の低周波帯域の受信感度レベルが徐々に低下することが分かる。
2.3.2 PZT 半径と金属シート半径の比
PZT と中間金属シートの厚さを変更せず、中間金属シートの半径を 20 mm とします。 PZTの半径のみを変化させた場合の水中におけるハイドロフォンの反共振周波数と受信感度レベルの曲線を図7、図8に示します。
図７より、ＰＺＴの半径が大きくなるにつれて、水中でのハイドロホンの反共振周波数は徐々に増加し、２０ｍｍに近づくと反共振周波数はほとんど増加しないことがわかる。図8より、PZT半径が大きくなるにつれて、低周波帯域におけるハイドロホンの受信感度レベルが徐々に低下するが、その低下の度合いは大きくなく、変動がより平坦になっていることがわかる。 2.3.3 PZT の厚さと金属の厚さの比により、PZT と中央の金属シートの半径は変化しません。中間の金属シートの厚さは 1 mm で、PZT の厚さのみが変更されます。水中でのハイドロフォンの反共振周波数と受信感度レベル曲線を図9と図10に示します。
図 9 から、PZT の厚さが増加するにつれて、水中でのハイドロフォンの反共振周波数が徐々に増加することがわかります。金属板と同じ厚さ1 mmに達すると反共振周波数は最大となり、PZTの厚さは増加し続けます。代わりに、ハイドロフォンの反共振周波数が減少します。図 10(a) より、PZT の厚みが 0.2 mm から 0.5 mm に増加するにつれて、ハイドロフォンの低周波数帯域での受信感度レベルが徐々に増加し、変動がより平坦になることがわかります。ただし、PZTの厚さが0.4mmになると状況は特殊で、低周波帯域の受信感度レベルが急激に低下します。図 10(b) より、PZT の厚さが 0.5 mm から 1.5 mm に増加すると、ハイドロフォンの低周波受信感度レベルは徐々に低下し、変動はほとんど変化しないことがわかります。
2.3.4 等しい厚さの 3 枚の積層シートの厚さと半径の比
中間層の金属シートの厚みがＰＺＴの厚みと同じ場合、３層シートの等価電気機械結合係数が最も大きくなる。次に、等しい厚さの 3 層シートの厚さと半径の比が水中聴音器の水中での動作に与える影響を分析します。積層した3枚の等しい厚さの金属シートの厚さと半径は変えず、PZTの半径も変えず、PZTと金属の厚さを同じにして、PZT（金属シート）の厚さだけを変えます。図 11 と 12 に示すように。
図 11 から、PZT (金属シート) の厚さが増加するにつれて、ハイドロホンの水中の反共振周波数が徐々に増加することがわかります。図12では、PZT（金属板）の厚みが徐々に厚くなるにつれて、ハイドロフォンの低周波帯域の受信感度レベルが徐々に低下し、変動が徐々に小さくなっています。
2.3.5 規則性分析
上記の最適化プロセスで得られた応答変化則は次のように要約できます。 1) 中間金属ディスクのヤング率が徐々に増加するにつれて、金属ディスクの反共振周波数は増加します。 水中通信用ハイドロホンは 徐々に大きくなり、低周波帯域の受信感度レベルが小さくなり変動します。 ２）金属シートの半径に対するＰＺＴの比率が大きくなるにつれて、水中でのハイドロフォンの反共振周波数が大きくなり、低周波帯域の受信感度レベルが低下し、変動が小さくなる。 3) 金属シートの厚さに対する PZT の厚さの比率が大きくなるにつれて、水中でのハイドロフォンの反共振周波数は最初に増加してから減少し、比率 1 でピーク値に達し、低周波受信感度レベルは最初に増加してから減少し、約 0.5 の比率でピークに達し、低周波変動は徐々に減少します。 4) 等 厚い三重積層体では、PZT（金属板）の半径に対する厚みの比率が大きくなるにつれて、水中でのハイドロフォンの反共振周波数が大きくなり、低周波帯域の受信感度レベルが小さくなり、変動が小さくなります。一般に、トランスデューサのサイズが大きくなるほど、その共振周波数は小さくなり、水中聴音器の基本共振周波数は、PZT の半径または厚さが増加するにつれて増加します。これはハイドロフォンが積層板の3つの曲げ振動モードを利用しているためです。この振動モードの主な影響要因は、三重構造の剛性です。 PZTの半径や厚みが大きくなると、三重全体の剛性が高くなるため、三重曲げ振動モードの共振周波数が大きくなり、ハイドロフォンの共振周波数が大きくなります。ハイドロフォンの中央に挟み込まれた金属リングの高さは三層シートの直径に比べて非常に小さく、三層シートの曲げ振動に関与しないため、ハイドロフォンへの影響は小さい。
2.4 最終結果
構造の最適化による上記の影響の法則に従って、水中聴音器のさまざまな部分の実際の製造プロセスの難しさを考慮して、水中聴音器のさまざまな部分のサイズパラメータが表 2 に示すように最終的に決定されます。 COMSOL ソフトウェアを使用して、水中での水中聴音器のインピーダンス曲線をシミュレーションおよび計算します。図 13 に示すように、反共振周波数は 5.2 kHz です。
図 14 に示すように、COMSOL ソフトウェアを使用して、100 Hz ～ 6 kHz の周波数範囲でハイドロホンの受信感度レベルをシミュレートおよび計算します。
図 14 に示すように、COMSOL ソフトウェアを使用して、100 Hz ～ 6 kHz の周波数範囲でハイドロホンの受信感度レベルをシミュレーションおよび計算します。
図 15 に示すように、100 Hz ～ 2.5 kHz の低周波帯域では、ハイドロフォンの受信感度レベルは約 -178 dB で、変動は 3 dB 未満です。音波の波長がトランスデューサの最大リニア スケールよりもはるかに大きい場合、トランスデューサは指向性を持ちません。ハイドロホンの使用周波数帯域において、音波の周波数が2.5kHzのときの最小波長は0.6mであり、ハイドロホンの最大サイズよりも0.045m大きいため、ハイドロホンは音波を受信する際に指向性を持たないと考えてよい。
3 水中聴音器の製作と試験
COMSOL によって最適化されたハイドロフォンの最終構造パラメータに従って、図 16 に示すように、構造コンポーネントが処理され、ハイドロフォンのプロトタイプが作成されました。ポッティング後のハイドロフォンの直径は 45 mm、厚さは 12 mm です。
水中聴音器の性能試験は無響音プールで実施され、プールのサイズは 25 m × 16 m × 10 m で、測定には比較方法が使用され、比較測定には標準的な水中聴音器 (B&K 8105) が使用されました。パルス信号伝送を採用し、送信振動子と標準ハイドロホンとの距離は1.5m（遠方界条件を満足）、吊り下げ深さ4mのプール全長に沿って設置されています。プロトタイプのハイドロホンの水中でのアドミッタンス曲線は、図 17 に示すように最終的に測定されます。
図 17 から、ハイドロフォンのプロトタイプの反共振周波数が 3.3 kHz であることがわかります。使用する送信トランスデューサは 500 Hz の音波しか送信できないという音波周波数の下限の制限により、図 18 に示すように、測定水受信感度レベル曲線の最低周波数は 500 Hz になります。
図 18 から、500 Hz ～ 2.5 kHz の周波数帯域では、ハイドロフォンの受信感度レベルは最大 -178 dB であり、変動は 4 dB 未満であることがわかります。ハイドロフォンの反共振周波数の測定結果とシミュレーション結果の違いは、主に、ハイドロフォンのプロトタイプの表面が厚さ 2 mm の防水ポリウレタン ゴムの層で埋められているという事実によるもので、これによりハイドロフォンの等価振動品質が向上します。この粘弾性材料を COMSOL シミュレーション ソフトウェアでシミュレーションすることは困難です。構造部品の組み立て精度や接着プロセスもハイドロフォンの性能に一定の影響を与えます。上記 2 つの要因により、測定データと有限要素シミュレーション値の間に差異が生じます。 。図 19 に示すように、500 Hz ～ 2.5 kHz の周波数帯域における受信感度レベルの測定データとシミュレーション結果を比較してください。この周波数帯域では、測定された最大受信感度レベルは -178 dB であり、変動は 4 dB 未満です。実測データとシミュレーション値 傾向は同じですが、実測データはシミュレーション値よりも若干大きく変動しています。
異なる方位におけるハイドロフォンの受信感度テストに関して、ハイドロフォンの軸方向と半径方向の受信感度レベルがそれぞれテストされました。試験結果を図 20 に示します。受信感度レベルはほぼ同等であり、使用周波数帯域 500 Hz ～ 2.5 kHz では指向性が無いと考えられます。
4 結論
1) 低周波屈曲ハイドロフォンの設計・製作。測定用ハイドロフォンの受信感度レベルは、周波数帯域500Hz〜2.5kHzにおいて−178dBであり、変動は4dB未満である。 2.小型の低周波屈曲ハイドロフォンは、より高い感度で音波を受信する特性を実現しており、これはハイドロフォンにおける屈曲ディスク構造の応用の指針となる重要性を持っています。
