Language
導入
円形ハイドロフォンは一般的に使用されるタイプのハイドロフォンで、通常は低周波数帯域で使用されます。フラットな周波数応答、小型、低い加速度感度、無指向性、良好な一貫性という特徴を備えています。一方向性 この記事で紹介する円形ハイドロフォンセンサーは 、ダイポールセラミックチューブとモノポールセラミックチューブで作られています。ダイポールで受信した信号は位相シフトされて増幅され、その後モノポールで合成されてハート型の指向性が形成されます。一指向性円形ハイドロフォンは小型軽量です。大型受信アレイのピエゾ素子として、アレイの重量を効果的に軽減できます。特にコンフォーマルアレイで使用すると、仮想的なサウンドバッフルとして機能し、検出を実現できます。港と港は区別されます。
1 理論的分析
単一指向性円形チューブハイドロフォンの概略図を図 1 に示します。単一指向性円形チューブハイドロフォンはダイポールの固有指向性とモノポールの無指向性を利用してカーディオイド指向性を合成していることがわかります。
低周波帯域では、同じサイズの圧電セラミック管のモノポール振動モードとダイポール振動モードの位相差は90°であるため、ダイポール圧電セラミック管は90°位相を補償することができます。同時に、両者の間には受信信号の大きさに差があるため、180°方向の入射音波が打ち消し合うようにダイポールの振幅を増幅する必要があり、ハイドロフォンの指向性はハート型になります。
2 の有限要素シミュレーション 一方向性ハイドロフォン
ANSYS 有限要素シミュレーション ソフトウェアを使用して、水中聴音器モデルを構築します。図 2 に示すように、青は双極子、赤は単極子、ピンクは水域です。対称境界を使用するとモデルを簡素化でき、1/2 モデルを構築するだけで済みます。圧電セラミックスの材質はPZT-5、サイズはφ20mm×φ18mm×10mm、共振周波数は48kHzです。
理論解析に従い、まずモノポール受信信号とダイポール受信信号の位相と受信感度をそれぞれ計算します。結果を図3と図4に示します。低周波数帯域では、モノポール放射とダイポール放射の位相差は約90°で、変動は2.5°であることがわかります。感度差変化曲線。6kHz付近で最小の傾きを持つ線です。これによると、中心動作周波数は6kHz付近に設定でき、ダイポール位相シフトは90度、振幅補償は10倍となります。
上記で計算された位相シフトと振幅補償に従って、一方向円管がシミュレーションおよび計算され、指向性図が図 5 に示されています。ハイドロフォンが 6kHz で最高のハート型の指向性を持っていることがわかります。 4kHz～12kHzの範囲では、ハイドロフォンの前後の放射差が10dB以上あると、ハイドロフォンは単一指向性を持ち、前後を区別できると考えられます。
3 一方向円管水中聴音器の製作と試験
シミュレーション計算の結果によると、一方向性円管水中聴音器の実際のイメージを図 6 に示します。
無響プール内で測定し、データ収集には収集ボードを使用し、シミュレーションによって得られた位相シフトと振幅補償に従って、取得したデータを Matlab を使用して処理します。得られた指向性図を 7 に示します。
一方向性円管の測定された4kHz〜12kHzの指向性グラフデータは基本的にシミュレーションと一致していますが、前後の放射の差はシミュレーション結果よりわずかに小さくなっており、これは大小の双極子の8の字の指向性によって引き起こされます。このテストでは、一方向性が検証されます。 円管ハイドロフォン センサーは 広帯域の単一指向性性能を備えています。受信配列要素として、右舷と右舷を区別する機能があります。
4 結論
この論文では、一方向の円管を設計します。モノポールとダイポールの指向性合成の原理を利用し、ダイポールで位相補償と振幅増幅を行い、4kHz～12kHzの周波数帯域で単一指向性を得ることができます。最後に、テストに合格します。このような水中聴音器の可能性が検証され、実用化のめどが立った。次のステップは、ダイポール管の製造を改善し、ハイドロフォンの感度を最適化し、動作周波数帯域を広げることです。
