Penyelidikan mengenai hidrofon melengkung frekuensi rendah

Untuk menerima gelombang bunyi frekuensi rendah dengan kepekaan tinggi, hidrofon lentur tiga laminasi dua sisi telah dikaji, menggunakan perisian unsur terhingga COMSOL pada reka bentuk simulasi dan pengoptimuman hidrofon melengkung. Pengaruh setiap bahagian pada gred sensitiviti penerima hidrofon telah dianalisis untuk menyediakan skema yang optimum. Akhirnya, kami menghasilkan prototaip hidrofon dan mengujinya di dalam air. Saiz maksimum prototaip hidrofon ialah 45 mm. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa dalam julat frekuensi penerimaan 500 Hz−2.5 kHz, gred kepekaan tekanan penerimaan maksimum ialah −178 dB, beralun kurang daripada 4 dB. Keputusan eksperimen adalah sama seperti simulasi.

 

Sebagai sebuah peranti penerima isyarat transduser akustik bawah air , hidrofon tekanan bunyi boleh digunakan untuk menangkap perubahan halus dalam isyarat tekanan bunyi dalam air, menjana keluaran voltan berkadar dengan tekanan bunyi, dan menukar tenaga bunyi kepada isyarat elektrik yang mudah diperhatikan, Peralatan utama untuk operasi normal sistem sonar adalah peralatan yang sangat diperlukan dan diperlukan dalam penyelidikan akustik bawah air. Walau bagaimanapun, hidrofon frekuensi rendah dan kepekaan tinggi sedia ada selalunya mempunyai saiz yang agak besar. Struktur cakera tiga susun transduser, mod getaran lenturan mendominasi getaran, mempunyai ciri frekuensi resonans rendah, saiz kecil, struktur mudah dan sebagainya. Walau bagaimanapun, dalam penggunaan cakera tiga tindanan, ia lebih banyak digunakan pada transduser pemancar atau hidrofon vektor, dan kurang pada hidrofon tekanan akustik. Kelemahan hidrofon lentur frekuensi rendah ialah jalur frekuensi kerja sangat sempit, tetapi seperti hidrofon yang tersedia secara komersial, lebar jalurnya sangat luas, tetapi tahap kepekaan tidak tinggi. Jika terdapat keperluan untuk menerima gelombang bunyi hanya dalam jalur frekuensi rendah tertentu, laminasi dibengkokkan Hidrofon dengan struktur berstruktur mempunyai kelebihan tahap kepekaan yang tinggi dan mempunyai nilai kegunaannya. Makalah ini berhasrat untuk mereka bentuk hidrofon melengkung tiga laminasi, yang mengambil kesempatan daripada saiz kecil dan titik resonans rendah cakera tiga laminasi, dan mengguna pakai bentuk reka bentuk menyambung dua cakera tiga laminasi atas dan bawah secara selari, dan melaraskan frekuensi asas melalui pengoptimuman saiz. Kedudukan titik resonans digunakan untuk merealisasikan hidrofon bersaiz kecil dengan tindak balas sensitiviti tinggi dalam jalur frekuensi rendah.

 

 

1 Reka bentuk hidrofon melengkung tiga laminasi

Hidrofon lentur tiga laminasi, bahagian tengah adalah cincin logam, cincin logam secara simetri mengikat dua cakera tiga laminasi ke atas dan ke bawah, seramik piezoelektrik cakera tiga laminasi disambung secara bersiri, dan dua cakera tiga laminasi atas dan bawah disambung secara bersiri. Melalui sambungan selari, struktur ini boleh membuat hidrofon bergetar secara simetri, dan mudah untuk dipasang dan dihasilkan.

 

2 Simulasi unsur terhingga hidrofon

Perisian elemen terhingga simulasi multifizik COMSOL, dengan modul interaksi akustik-piezoelektrik, boleh digunakan untuk menganalisis masalah berbilang fizik seperti gandingan struktur bendalir dalam gelombang satah atau medan bunyi gelombang sfera, dan boleh mensimulasikan secara langsung adegan kerja transduser hidrofon menerima gelombang bunyi dalam air. Dan boleh mengekstrak voltan sepadan permukaan seramik piezoelektrik hidrofon untuk mengira sensitiviti penerimaan. Artikel ini menggunakan perisian COMSOL untuk menganalisis dan mereka bentuk hidrofon melengkung.

 

2.1 Model simulasi unsur terhingga hidrofon

Gunakan perisian simulasi multifizik COMSOL untuk melakukan analisis unsur terhingga pada hidrofon yang direka bentuk. Mula-mula, wujudkan model elemen terhingga hidrofon, dan abaikan lapisan ikatan antara seramik piezoelektrik dan logam, lapisan ikatan antara logam, dan getah poliuretana yang ditancapkan di lapisan paling luar dalam pemodelan. Menubuhkan model tiga dimensi hidrofon dengan gam dan wayar elektrod yang dikimpal, memilih bahan piezoelectric, copperadura atau PZT-5 sebagai bahan. keluli sebagai bahan untuk cakera logam tengah, dan pilih tembaga sebagai bahan untuk cincin logam tengah.

 

2.2 Penyelidikan tentang mod getaran hidrofon

Menggunakan perisian COMSOL untuk menganalisis frekuensi ciri hidrofon, anda secara intuitif boleh mendapatkan frekuensi ciri dan anjakan getaran bagi mod getaran yang berbeza bagi hidrofon. Gambarajah skematik termasuk kedudukan relatif setiap bahagian hidrofon dalam setiap mod getaran. Keputusan analisis ini membantu untuk lebih memahami prinsip kerja hidrofon. Getaran mod getaran tertib pertama bagi hidrofon saiz tertentu. Mod getaran ini ialah mod apabila hidrofon menerima gelombang bunyi.

 

 

2.3 Reka bentuk pengoptimuman struktur hidrofon

Menggunakan perisian COMSOL untuk mensimulasikan dan menganalisis prestasi kerja hidrofon di dalam air. Anda boleh terus mewujudkan kawasan air dengan jejari 0.05 m di sekeliling hidrofon, dan kemudian tetapkan medan latar belakang gelombang bunyi satah dengan tekanan bunyi 1 Pa di kawasan air untuk mensimulasikan Senario kerja sebenar hidrofon di dalam air, model hidrofon bawah air yang telah ditetapkan ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam tetapan analisis COMSOL bagi keseluruhan domain, langkah penyelidikan menyelaraskan sistem harmoni ke arah harmoni yang mudah. pengujaan boleh dianalisis, dan voltan teruja oleh hidrofon di bawah tindakan gelombang bunyi frekuensi yang berbeza boleh dikira. Kemudian ekstrak voltan pada permukaan seramik piezoelektrik hidrofon, dan hitung tahap sensitiviti penerimaan hidrofon yang sepadan melalui formula. Memandangkan hidrofon berfungsi dalam keadaan litar terbuka, kemuncak sensitiviti penerimaan hidrofon adalah pada frekuensi anti-resonansnya, dan tahap sensitiviti penerimaan a hidrofon bawah air dengan saiz tertentu disimulasikan.

 

Ia dapat dilihat daripada hasil simulasi bahawa lengkung tahap sensitiviti penerima hidrofon dengan struktur ini agak rata dalam jalur frekuensi rendah. Seterusnya, kita akan mengkaji perubahan dimensi setiap bahagian hidrofon, dan kesan frekuensi anti-resonans dan tahap sensitiviti penerimaan frekuensi rendah Pengaruh hidrofon. Mengambil parameter geometri PZT dan cakera logam dalam tindanan tiga, dan jenis bahan logam sebagai pembolehubah, saiz dan tahap turun naik tekanan bunyi hidrofon yang direka bentuk menerima tahap sensitiviti dalam jalur frekuensi rendah diambil sebagai matlamat, dan hidrofon dijalankan. Reka bentuk hidrofon yang dioptimumkan berusaha untuk menjadikan tekanan bunyi menerima tahap sensitiviti hidrofon dalam jalur frekuensi rendah setinggi mungkin dan turun naik sekecil mungkin. Pembolehubah yang digunakan dalam analisis simulasi kaedah pembolehubah terkawal ialah: 1) sifat bahan bagi tiga cakera logam berlamina; 2) nisbah jejari PZT kepada jejari kepingan logam; 3) nisbah ketebalan PZT kepada ketebalan kepingan logam; 4) ketebalan tiga helaian berlamina dengan ketebalan yang sama berbanding dengan jejari.

 

2.3.1 Jenis PZT dan jenis kepingan logam

Tukar jenis cakera logam di tengah-tengah tiga laminasi, dan dapatkan kekerapan anti-resonans dan menerima keluk tahap kepekaan hidrofon dalam air dengan pengiraan simulasi. Keputusan ditunjukkan dalam Jadual 1 dan Rajah 6.

Ia boleh dilihat daripada Jadual 1 bahawa apabila modulus Young bagi logam terpilih meningkat secara beransur-ansur, frekuensi anti-resonan hidrofon secara beransur-ansur meningkat. Ia boleh dilihat daripada Rajah 6 bahawa apabila modulus Young bagi kepingan logam meningkat secara beransur-ansur, tahap sensitiviti penerimaan jalur frekuensi rendah hidrofon secara beransur-ansur berkurangan.

 

2.3.2 Nisbah jejari PZT kepada jejari kepingan logam

Pastikan ketebalan PZT dan kepingan logam perantaraan tidak berubah, dan ambil jejari kepingan logam perantaraan sebagai 20 mm. Apabila hanya jejari PZT diubah, frekuensi anti-resonans hidrofon dan lengkung tahap kepekaan menerima dalam air ditunjukkan dalam Rajah 7 dan 8.

Ia boleh dilihat daripada Rajah 7 bahawa apabila jejari PZT meningkat, frekuensi anti-resonan hidrofon di dalam air secara beransur-ansur meningkat, dan apabila ia menghampiri 20 mm, frekuensi anti-resonansi hampir tidak meningkat. Rajah 8 menunjukkan bahawa apabila jejari PZT menjadi lebih besar, tahap sensitiviti penerima hidrofon dalam jalur frekuensi rendah secara beransur-ansur berkurangan, tetapi tahap penurunan tidak besar, dan turun naik lebih rata. 2.3.3 Nisbah ketebalan PZT kepada ketebalan logam mengekalkan PZT dan jejari kepingan logam tengah tidak berubah. Ketebalan kepingan logam tengah ialah 1 mm, dan hanya ketebalan PZT yang diubah. Kekerapan anti-resonans dan keluk tahap kepekaan menerima hidrofon dalam air ditunjukkan dalam Rajah 9 dan 10.

 

Ia boleh dilihat dari Rajah 9 bahawa apabila ketebalan PZT meningkat, frekuensi anti-resonan hidrofon dalam air meningkat secara beransur-ansur. Apabila ia mencapai ketebalan yang sama seperti kepingan logam 1 mm, kekerapan anti-resonan mencapai maksimum, dan ketebalan PZT terus meningkat. Sebaliknya, frekuensi anti-resonan hidrofon berkurangan. Ia boleh dilihat daripada Rajah 10(a) bahawa apabila ketebalan PZT meningkat daripada 0.2 mm kepada 0.5 mm, tahap sensitiviti penerima hidrofon dalam jalur frekuensi rendah meningkat secara beransur-ansur, dan turun naik menjadi lebih rata. Walau bagaimanapun, apabila ketebalan PZT ialah 0.4 mm, keadaan adalah istimewa, dan tahap sensitiviti penerimaan jalur frekuensi rendah tiba-tiba berkurangan; daripada Rajah 10(b), dapat dilihat bahawa apabila ketebalan PZT meningkat daripada 0.5 mm kepada 1.5 mm, frekuensi rendah menerima sensitiviti hidrofon Tahap secara beransur-ansur berkurangan, dan turun naik hampir tidak berubah.

 

2.3.4 Nisbah ketebalan kepada jejari tiga helaian berlamina dengan ketebalan yang sama

Apabila ketebalan kepingan logam di lapisan tengah adalah sama dengan ketebalan PZT, pekali gandingan elektromekanikal yang setara bagi kepingan tiga lapis adalah yang terbesar. Seterusnya, pengaruh nisbah ketebalan kepada jejari kepingan tiga lapis dengan ketebalan yang sama pada operasi bawah air hidrofon dianalisis. Pastikan ketebalan dan jejari tiga kepingan logam berlapis dengan ketebalan yang sama tidak berubah, jejari PZT tidak berubah, pastikan PZT dan ketebalan logam sama, dan hanya tukar ketebalan PZT (lembaran logam). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 11 dan 12.

 

Ia boleh dilihat dari Rajah 11 bahawa apabila ketebalan PZT (lembaran logam) meningkat, frekuensi anti-resonan dalam air hidrofon secara beransur-ansur meningkat. Dalam Rajah 12, apabila ketebalan PZT (lembaran logam) meningkat secara beransur-ansur, tahap sensitiviti penerima hidrofon dalam jalur frekuensi rendah secara beransur-ansur berkurangan, dan turun naik secara beransur-ansur menjadi lebih kecil.

 

2.3.5 Analisis keteraturan

Undang-undang perubahan tindak balas yang diperoleh dalam proses pengoptimuman di atas boleh diringkaskan seperti berikut: 1) Apabila modulus Young cakera logam tengah meningkat secara beransur-ansur, frekuensi anti-resonan bagi hidrofon komunikasi bawah air secara beransur-ansur menjadi lebih besar, dan tahap sensitiviti penerimaan jalur frekuensi rendah menjadi lebih kecil dan turun naik. 2) Apabila nisbah PZT kepada jejari kepingan logam menjadi lebih besar, frekuensi anti-resonan hidrofon dalam air menjadi lebih besar, tahap kepekaan penerimaan jalur frekuensi rendah berkurangan, dan turun naik menjadi lebih kecil; 3) Apabila nisbah ketebalan PZT kepada ketebalan kepingan logam menjadi lebih besar , Kekerapan anti-resonan hidrofon di dalam air mula-mula meningkat dan kemudian berkurangan, mencapai nilai puncak pada nisbah 1, dan tahap kepekaan penerima frekuensi rendah mula-mula meningkat dan kemudian berkurangan, mencapai puncak pada nisbah kira-kira 0.5 kecurahan; 4) dsb. Dalam lamina tiga kali ganda, apabila nisbah ketebalan kepada jejari PZT (lembaran logam) menjadi lebih besar, frekuensi anti-resonan hidrofon dalam air menjadi lebih besar, tahap kepekaan penerima dalam jalur frekuensi rendah menjadi lebih kecil, dan turun naik menjadi lebih kecil. Secara umum, semakin besar saiz transduser, semakin kecil frekuensi resonansnya, dan kekerapan resonans asas hidrofon meningkat dengan peningkatan jejari atau ketebalan PZT. Ini kerana hidrofon menggunakan tiga Mod getaran lentur helaian berlamina. Faktor pengaruh utama mod getaran ini ialah kekakuan tripleks. Apabila jejari atau ketebalan PZT meningkat, kekakuan keseluruhan tripleks menjadi lebih besar, jadi resonans mod getaran lentur tripleks Frekuensi akan menjadi lebih besar, menjadikan frekuensi resonans hidrofon lebih besar. Ketinggian cincin logam yang diapit di tengah-tengah hidrofon adalah jauh lebih kecil daripada diameter kepingan tiga lapisan, dan ia tidak mengambil bahagian dalam getaran lenturan lembaran tiga lapisan, jadi kesan pada hidrofon adalah kecil.

 

2.4 Keputusan akhir

Menurut undang-undang pengaruh yang disebutkan di atas melalui pengoptimuman struktur, dan mengambil kira kesukaran proses pengeluaran sebenar pelbagai bahagian hidrofon, parameter saiz pelbagai bahagian hidrofon akhirnya ditentukan seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2. Gunakan perisian COMSOL untuk mensimulasikan dan mengira keluk impedans hidrofon dalam air. Kekerapan anti-resonan ialah 5.2 kHz, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 13.

 

 

 

 

Gunakan perisian COMSOL untuk mensimulasikan dan mengira tahap sensitiviti penerimaan hidrofon dalam julat frekuensi 100 Hz hingga 6 kHz, seperti ditunjukkan dalam Rajah 14.

Menggunakan perisian COMSOL untuk mensimulasikan dan mengira tahap sensitiviti penerimaan hidrofon dalam julat frekuensi 100 Hz hingga 6 kHz, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 14.

Dalam jalur frekuensi rendah 100 Hz~2.5 kHz, tahap kepekaan penerima hidrofon adalah kira-kira −178 dB, dan turun naik adalah kurang daripada 3 dB, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 15. Apabila panjang gelombang gelombang bunyi jauh lebih besar daripada skala linear maksimum transduser, transduser tidak mempunyai langsung. Dalam jalur frekuensi kerja hidrofon, panjang gelombang minimum apabila frekuensi gelombang bunyi ialah 2.5 kHz ialah 0.6 m, yang lebih besar daripada saiz maksimum hidrofon sebanyak 0.045 m, boleh dianggap bahawa hidrofon tidak mempunyai kearaharah apabila menerima gelombang bunyi.

 

3 Pengeluaran dan ujian hidrofon

Mengikut parameter struktur akhir hidrofon yang dioptimumkan oleh COMSOL, komponen struktur telah diproses dan prototaip hidrofon telah dibuat, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 16. Selepas pasu, diameter hidrofon ialah 45 mm dan ketebalan ialah 12 mm.

Ujian prestasi hidrofon telah dijalankan dalam kolam anechoic, saiz kolam ialah 25 m × 16 m × 10 m, dan kaedah perbandingan digunakan untuk pengukuran, dan hidrofon standard (B&K 8105) digunakan untuk pengukuran perbandingan. Penghantaran isyarat nadi diterima pakai, dan jarak antara transduser pemancar dan hidrofon standard ialah 1.5 m (memuaskan keadaan medan jauh), dan ia diletakkan di sepanjang kolam dengan kedalaman gantung 4 m. Keluk kemasukan dalam air hidrofon prototaip akhirnya diukur seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 17.

 

 

Ia boleh dilihat daripada Rajah 17 bahawa frekuensi anti-resonan prototaip hidrofon ialah 3.3 kHz. Disebabkan oleh had had bawah frekuensi gelombang bunyi bahawa transduser pemancar yang digunakan hanya boleh menghantar gelombang bunyi 500 Hz, frekuensi terendah bagi lengkung tahap kepekaan air pengukur ialah 500 Hz, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 18.

Ia boleh dilihat daripada Rajah 18 bahawa dalam jalur frekuensi 500 Hz ~ 2.5 kHz, tahap sensitiviti penerima hidrofon adalah paling banyak -178 dB, dan turun naik adalah kurang daripada 4 dB. Perbezaan antara hasil pengukuran dan simulasi bagi frekuensi anti-resonansi hidrofon adalah terutamanya disebabkan oleh fakta bahawa permukaan prototaip hidrofon adalah pasu dengan lapisan getah poliuretana kedap air dengan ketebalan 2 mm, yang akan meningkatkan kualiti getaran yang setara dengan hidrofon. Sukar untuk mensimulasikan bahan viskoelastik ini pada perisian simulasi COMSOL. Ketepatan pemasangan bahagian struktur dan proses ikatan juga akan memberi kesan tertentu ke atas prestasi hidrofon. Kedua-dua faktor di atas menyebabkan perbezaan antara data yang diukur dan nilai simulasi unsur terhingga. . Bandingkan data yang diukur bagi tahap kepekaan penerima dalam jalur frekuensi 500 Hz~2.5 kHz dengan hasil simulasi, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 19. Dalam jalur frekuensi ini, tahap kepekaan penerimaan maksimum yang diukur ialah -178 dB, dan turun naik adalah kurang daripada 4 dB. Data yang diukur dan nilai simulasi Arah aliran adalah sama, dan data yang diukur berubah lebih besar sedikit daripada nilai simulasi.

Mengenai ujian kepekaan menerima hidrofon dalam azimut yang berbeza, tahap kepekaan paksi dan jejari menerima hidrofon telah diuji masing-masing. Keputusan ujian ditunjukkan dalam Rajah 20. Tahap sensitiviti penerimaan adalah lebih kurang sama, dan boleh dianggap bahawa hidrofon tidak mempunyai kearah arah dalam jalur frekuensi kerja 500 Hz ~ 2.5 kHz.

4 Kesimpulan

1) Mereka bentuk dan menghasilkan hidrofon lentur frekuensi rendah. Hidrofon pengukur mempunyai tahap sensitiviti penerimaan −178 dB dalam jalur frekuensi 500Hz−2.5 kHz, dan turun naik kurang daripada 4 dB. 2. Hidrofon lentur frekuensi rendah bersaiz kecil telah menyedari ciri-ciri menerima gelombang bunyi dengan kepekaan yang lebih tinggi, yang mempunyai kepentingan panduan untuk aplikasi struktur cakera lentur dalam hidrofon.