Onderzoek naar de laagfrequente gebogen hydrofoon

Om laagfrequente geluidsgolven met hoge gevoeligheid te kunnen ontvangen, werd een dubbelzijdige, drielaagse buighydrofoon bestudeerd, waarbij de eindige-elementensoftware COMSOL werd toegepast op het simulatie- en optimalisatieontwerp van de gebogen hydrofoon. De invloed van elk onderdeel op de ontvangstgevoeligheid van de hydrofoon werd geanalyseerd om het optimale schema te verkrijgen. Ten slotte hebben we een prototype van een hydrofoon geproduceerd en in het water getest. De maximale grootte van het hydrofoonprototype was 45 mm. De resultaten van het experiment laten zien dat in het ontvangstfrequentiebereik van 500 Hz − 2,5 kHz de maximale ontvangstdrukgevoeligheid −178 dB was, met een golfbeweging van minder dan 4 dB. Het experimentresultaat is hetzelfde als dat van de simulatie.

 

Als een Onderwater akoestisch transducer signaalontvangstapparaat, een geluidsdrukhydrofoon kan worden gebruikt om subtiele veranderingen in de geluidsdruksignalen onder water vast te leggen, een uitgangsspanning te genereren die evenredig is met de geluidsdruk, en geluidsenergie om te zetten in elektrische signalen die gemakkelijk waar te nemen zijn. De belangrijkste uitrusting voor de normale werking van het sonarsysteem is een onmisbare en noodzakelijke uitrusting in het onderwaterakoestisch onderzoek. De bestaande laagfrequente, hooggevoelige hydrofoons hebben echter vaak een relatief groot formaat. De drie-gestapelde schijfstructuur van de transducer, de buigtrillingsmodus domineert de trilling, heeft de kenmerken van lage resonantiefrequentie, klein formaat, eenvoudige structuur enzovoort. Bij de toepassing van de drielaagse schijf wordt deze echter meer gebruikt op de zendende transducer of vectorhydrofoon, en minder op de akoestische drukhydrofoon. Het nadeel van laagfrequente buighydrofoons is dat de werkfrequentieband erg smal is, maar net als bij commercieel verkrijgbare hydrofoons is de bandbreedte erg breed, maar het gevoeligheidsniveau is niet hoog. Als het nodig is om alleen geluidsgolven in een specifieke lage frequentieband te ontvangen, worden de lamellen gebogen. De hydrofoon met de gestructureerde structuur heeft het voordeel van een hoog gevoeligheidsniveau en heeft zijn gebruikswaarde. Dit artikel is bedoeld om een ​​gebogen hydrofoon met drie lamellen te ontwerpen, die profiteert van het kleine formaat en het lage resonantiepunt van de schijf met drie lamellen, en de ontwerpvorm aanneemt van het parallel verbinden van twee bovenste en onderste schijven met drie lamellen, en de fundamentele frequentie aanpast door middel van optimalisatie van de grootte. De positie van het resonantiepunt wordt gebruikt om een ​​kleine hydrofoon te realiseren met een hoge gevoeligheidsrespons in de lage frequentieband.

 

 

1 Het ontwerp van de gebogen hydrofoon met drie lamellen

Drie-laminaat buigende hydrofoon, het middelste deel is een metalen ring, de metalen ring verbindt twee drie-laminaatschijven symmetrisch op en neer, de piëzo-elektrische keramiek van de drie-laminaatschijven is in serie verbonden, en de bovenste en onderste twee drie-laminaatschijven zijn in serie verbonden. Door een parallelle verbinding kan deze structuur de hydrofoon symmetrisch laten trillen, en is deze eenvoudig te monteren en te vervaardigen.

 

2 Eindige-elementensimulatie van een hydrofoon

COMSOL multifysica-simulatie eindige-elementensoftware, met akoestisch-piëzo-elektrische interactiemodule, kan worden gebruikt om multifysische problemen te analyseren, zoals vloeistofstructuurkoppeling in vlakke golf- of sferische golfgeluidsvelden, en kan de werkscène van hydrofoontransducer die geluidsgolven in water ontvangt. En kan de overeenkomstige spanning van het piëzo-elektrische keramische oppervlak van de hydrofoon extraheren om de ontvangstgevoeligheid te berekenen. Dit artikel maakt gebruik van COMSOL-software om de gebogen hydrofoon te analyseren en ontwerpen.

 

2.1 Eindige-elementensimulatiemodel van hydrofoon

Gebruik COMSOL multiphysics-simulatiesoftware om eindige-elementenanalyse uit te voeren op de ontworpen hydrofoon. Stel eerst het eindige elementenmodel van de hydrofoon vast en negeer de verbindingslaag tussen het piëzo-elektrische keramiek en het metaal, de verbindingslaag tussen de metalen en het polyurethaanrubber dat in de buitenste laag in de modellering is ingegoten. Een driedimensionaal model van de hydrofoon opzetten met lijm en gelaste elektrodedraden, PZT-5 kiezen als het piëzo-elektrische keramische materiaal, kies duraluminium, koper of staal als materiaal voor de middelste metalen schijf en kies koper als materiaal voor het midden metalen ring.

 

2.2 Onderzoek naar de trillingsmodus van hydrofoon

Met behulp van COMSOL-software om de karakteristieke frequentie van de hydrofoon te analyseren, kunt u intuïtief de karakteristieke frequentie en trillingsverplaatsing van de verschillende trillingsmodi van de hydrofoon verkrijgen. Het schematische diagram bevat de relatieve positie van elk deel van de hydrofoon in elke trillingsmodus. Deze analyseresultaten helpen het werkingsprincipe van de hydrofoon beter te begrijpen. De trilling van de eerste orde trillingsmodus van een hydrofoon van een bepaalde grootte. Deze trillingsmodus is de modus waarin de hydrofoon geluidsgolven ontvangt.

 

 

2.3 Structureel optimalisatieontwerp van hydrofoon

Gebruik COMSOL-software om de werkprestaties van de hydrofoon in het water te simuleren en analyseren. U kunt direct een watergebied met een straal van 0,05 m rond de hydrofoon instellen en vervolgens een vlak geluidsgolfachtergrondveld met een geluidsdruk van 1 Pa in het watergebied instellen om te simuleren. Het daadwerkelijke werkscenario van de hydrofoon in water, het gevestigde onderwatermodel van de hydrofoon, wordt weergegeven in Figuur 4. In de COMSOL-analyse-instelling selecteert de onderzoeksstap het frequentiedomein, zodat de respons van het gehele lineaire systeem bij blootstelling aan eenvoudige harmonische excitatie kan worden geanalyseerd, en de spanning die door de hydrofoon wordt opgewekt. onder invloed van geluidsgolven met verschillende frequenties kunnen worden berekend. Haal vervolgens de spanning op het piëzo-elektrische keramische oppervlak van de hydrofoon af en bereken het overeenkomstige ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon met behulp van een formule. Omdat de hydrofoon in een open circuit werkt, ligt de piek van de ontvangstgevoeligheid van de hydrofoon op de anti-resonantiefrequentie en ligt het ontvangstgevoeligheidsniveau van een onderwaterhydrofoon van een bepaalde grootte wordt gesimuleerd.

 

Uit de simulatieresultaten blijkt dat de ontvangstgevoeligheidsniveaucurve van de hydrofoon met deze structuur relatief vlak is in de lage frequentieband. Vervolgens zullen we de dimensionale veranderingen van elk deel van de hydrofoon bestuderen, en het effect van de anti-resonantiefrequentie en het lage frequentie-ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofooninvloed. Door de geometrische parameters van de PZT en de metalen schijven in de tri-stack, en het type metalen materialen als variabelen te nemen, worden de grootte en de fluctuatiegraad van het geluidsdrukontvangstgevoeligheidsniveau in de lage frequentieband van de ontworpen hydrofoon als doel genomen, en wordt de hydrofoon uitgevoerd. Het geoptimaliseerde ontwerp van de hydrofoon streeft ernaar om het geluidsdrukontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon in de lage frequentieband zo hoog mogelijk te maken en de fluctuaties zo klein mogelijk. De variabelen die worden gebruikt bij de simulatieanalyse van de gecontroleerde variabelenmethode zijn: 1) de materiaaleigenschappen van de drie gelamineerde metalen schijven; 2) de verhouding van de PZT-radius tot de metaalplaatradius; 3) de verhouding van de PZT-dikte tot de dikte van de metaalplaat; 4) de dikte van de drie gelamineerde platen van gelijke dikte vergeleken met de straal.

 

2.3.1 Soorten PZT en soorten metaalplaten

Verander het type metalen schijf in het midden van de drie lamellen en verkrijg de anti-resonantiefrequentie en de ontvangstgevoeligheidsniveaucurve van de hydrofoon in water door middel van simulatieberekening. De resultaten worden weergegeven in Tabel 1 en Figuur 6.

Uit Tabel 1 blijkt dat naarmate de Young-modulus van het geselecteerde metaal geleidelijk toeneemt, de anti-resonantiefrequentie van de hydrofoon geleidelijk toeneemt. Uit figuur 6 blijkt dat naarmate de Young-modulus van de metalen plaat geleidelijk toeneemt, het ontvangstgevoeligheidsniveau van de lage frequentieband van de hydrofoon geleidelijk afneemt.

 

2.3.2 Verhouding tussen PZT-radius en metaalplaatradius

Houd de dikte van de PZT en de tussenliggende metalen plaat ongewijzigd en neem de straal van de tussenliggende metalen plaat op 20 mm. Wanneer alleen de PZT-straal wordt gewijzigd, worden de curven van de antiresonantiefrequentie van de hydrofoon en de curven van het ontvangstgevoeligheidsniveau in het water weergegeven in figuren 7 en 8.

Uit figuur 7 blijkt dat naarmate de straal van de PZT toeneemt, de anti-resonantiefrequentie van de hydrofoon in het water geleidelijk toeneemt, en wanneer deze 20 mm nadert, neemt de anti-resonantiefrequentie nauwelijks toe. Figuur 8 laat zien dat naarmate de PZT-straal groter wordt, het ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon in de lage frequentieband geleidelijk afneemt, maar de mate van afname is niet groot en de fluctuaties zijn vlakker. 2.3.3 De verhouding tussen PZT-dikte en metaaldikte houdt PZT en de straal van de middelste metalen plaat ongewijzigd. De dikte van de middelste metalen plaat is 1 mm en alleen de PZT-dikte is gewijzigd. De anti-resonantiefrequentie en ontvangstgevoeligheidsniveaucurve van de hydrofoon in water worden weergegeven in Figuur 9 en 10.

 

Uit figuur 9 blijkt dat naarmate de dikte van de PZT toeneemt, de antiresonantiefrequentie van de hydrofoon in water geleidelijk toeneemt. Wanneer het dezelfde dikte bereikt als de metalen plaat van 1 mm, bereikt de antiresonantiefrequentie het maximum en blijft de PZT-dikte toenemen. In plaats daarvan neemt de antiresonantiefrequentie van de hydrofoon af. Uit figuur 10(a) blijkt dat naarmate de dikte van de PZT toeneemt van 0,2 mm tot 0,5 mm, het ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon in de lage frequentieband geleidelijk toeneemt en de fluctuaties vlakker worden. Wanneer de dikte van PZT echter 0,4 mm is, is de situatie bijzonder en neemt het ontvangstgevoeligheidsniveau van de lage frequentieband plotseling af; uit figuur 10(b) kan worden gezien dat wanneer de dikte van PZT toeneemt van 0,5 mm tot 1,5 mm, de lage frequentie-ontvangstgevoeligheid van de hydrofoon geleidelijk afneemt en de fluctuatie vrijwel onveranderd blijft.

 

2.3.4 Verhouding tussen dikte en straal van drie gelamineerde platen van gelijke dikte

Wanneer de dikte van de metaalplaat in de middelste laag hetzelfde is als de dikte van de PZT, is de equivalente elektromechanische koppelingscoëfficiënt van de drielaagse plaat het grootst. Vervolgens wordt de invloed van de verhouding tussen dikte en straal van de drielaagse plaat van gelijke dikte op de onderwaterwerking van de hydrofoon geanalyseerd. Houd de dikte en straal van de drie gelamineerde metalen platen van gelijke dikte ongewijzigd, de PZT-radius ongewijzigd, houd de PZT en de metaaldikte hetzelfde en verander alleen de dikte van de PZT (metalen plaat). Zoals weergegeven in figuren 11 en 12.

 

Uit figuur 11 blijkt dat naarmate de dikte van de PZT (metalen plaat) toeneemt, de anti-resonantiefrequentie in het water van de hydrofoon geleidelijk toeneemt. In Figuur 12 neemt, naarmate de dikte van de PZT (metalen plaat) geleidelijk toeneemt, het ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon in de lage frequentieband geleidelijk af, en worden de fluctuaties geleidelijk kleiner.

 

2.3.5 Regelmaatanalyse

De responsveranderingswet verkregen in het bovenstaande optimalisatieproces kan als volgt worden samengevat: 1) Naarmate de Young-modulus van de middelste metalen schijf geleidelijk toeneemt, neemt de anti-resonantiefrequentie van De hydrofoon voor onderwatercommunicatie wordt geleidelijk groter en het ontvangstgevoeligheidsniveau van de lage frequentieband wordt kleiner en fluctueert. 2) Naarmate de verhouding tussen de PZT en de straal van de metaalplaat groter wordt, wordt de antiresonantiefrequentie van de hydrofoon in water groter, neemt het ontvangstgevoeligheidsniveau van de lage frequentieband af en wordt de fluctuatie kleiner; 3) Naarmate de verhouding tussen de PZT-dikte en de dikte van de metalen plaat groter wordt, neemt de antiresonantiefrequentie van de hydrofoon in het water eerst toe en vervolgens af, waarbij de piekwaarde wordt bereikt met een verhouding van 1, en het laagfrequente ontvangstgevoeligheidsniveau eerst toeneemt en vervolgens afneemt, waarbij de piek wordt bereikt met een verhouding van ongeveer 0,5, en de laagfrequente fluctuaties geleidelijk afnemen; 4) enz. In het dikke drievoudige laminaat wordt, naarmate de verhouding van de dikte tot de straal van de PZT (metalen plaat) groter wordt, de anti-resonantiefrequentie van de hydrofoon in water groter, wordt het ontvangstgevoeligheidsniveau in de lage frequentieband kleiner en wordt de fluctuatie kleiner. Over het algemeen geldt dat hoe groter de transducerafmeting is, hoe kleiner de resonantiefrequentie ervan, en de fundamentele resonantiefrequentie van de hydrofoon neemt toe met de toename van de PZT-straal of -dikte. Dit komt omdat de hydrofoon drie buigtrillingsmodi van de gelamineerde plaat gebruikt. De belangrijkste beïnvloedende factor van deze trillingsmodus is de stijfheid van het triplex. Wanneer de PZT-radius of -dikte toeneemt, wordt de stijfheid van het gehele triplex groter, waardoor de resonantie van de triplex-buigtrillingsmodus groter wordt, waardoor de resonantiefrequentie van de hydrofoon groter wordt. De hoogte van de metalen ring die in het midden van de hydrofoon is vastgeklemd, is veel kleiner dan de diameter van de drielaagse plaat, en neemt niet deel aan de buigtrilling van de drielaagse plaat, dus de impact op de hydrofoon is klein.

 

2.4 Eindresultaat

Volgens de bovengenoemde invloedswet door middel van structurele optimalisatie, en rekening houdend met de moeilijkheid van het feitelijke productieproces van de verschillende delen van de hydrofoon, worden uiteindelijk de grootteparameters van de verschillende delen van de hydrofoon bepaald, zoals weergegeven in Tabel 2. Gebruik COMSOL-software om de impedantiecurve van de hydrofoon in water te simuleren en te berekenen. De anti-resonantiefrequentie is 5,2 kHz, zoals weergegeven in figuur 13.

 

 

 

 

Gebruik COMSOL-software om het ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon in het frequentiebereik van 100 Hz tot 6 kHz te simuleren en te berekenen, zoals weergegeven in Figuur 14.

Met behulp van COMSOL-software wordt het ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon in het frequentiebereik van 100 Hz tot 6 kHz gesimuleerd en berekend, zoals weergegeven in afbeelding 14.

In de lage frequentieband 100 Hz~2,5 kHz is het ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon ongeveer −178 dB, en is de fluctuatie minder dan 3 dB, zoals weergegeven in Figuur 15. Wanneer de golflengte van de geluidsgolf veel groter is dan de maximale lineaire schaal van de transducer, heeft de transducer geen richtingsgevoeligheid. In de werkfrequentieband van de hydrofoon is de minimale golflengte bij een geluidsgolffrequentie van 2,5 kHz 0,6 m, wat 0,045 m groter is dan de maximale grootte van de hydrofoon. Er kan van worden uitgegaan dat de hydrofoon geen richtingsgevoeligheid heeft bij het ontvangen van geluidsgolven.

 

3 Productie en testen van hydrofoon

Volgens de uiteindelijke structurele parameters van de door COMSOL geoptimaliseerde hydrofoon werden de structurele componenten verwerkt en werd het prototype van de hydrofoon gemaakt, zoals weergegeven in figuur 16. Na het oppotten is de diameter van de hydrofoon 45 mm en de dikte 12 mm.

De prestatietest van de hydrofoon werd uitgevoerd in een echovrij zwembad, de grootte van het zwembad was 25 m x 16 m x 10 m, en de vergelijkingsmethode werd gebruikt voor de metingen, en een standaard hydrofoon (B&K 8105) werd gebruikt voor vergelijkingsmetingen. Er wordt gebruik gemaakt van pulssignaaloverdracht en de afstand tussen de zendtransducer en de standaardhydrofoon is 1,5 m (voldoen aan de verre veldomstandigheden), en deze wordt langs de lengte van het zwembad geplaatst met een ophangdiepte van 4 m. De allowantiecurve in het water van het prototype van de hydrofoon wordt uiteindelijk gemeten, zoals weergegeven in figuur 17.

 

 

Uit Figuur 17 blijkt dat de anti-resonantiefrequentie van het hydrofoonprototype 3,3 kHz bedraagt. Vanwege de beperking van de ondergrens van de geluidsgolffrequentie, zodat de gebruikte zendtransducer alleen geluidsgolven van 500 Hz kan verzenden, is de laagste frequentie van de meetcurve voor het ontvangen van watergevoeligheidsniveau 500 Hz, zoals weergegeven in Figuur 18.

Uit Figuur 18 blijkt dat in de frequentieband van 500 Hz ~ 2,5 kHz het ontvangstgevoeligheidsniveau van de hydrofoon maximaal −178 dB bedraagt, en dat de fluctuatie minder dan 4 dB bedraagt. Het verschil tussen de meet- en gesimuleerde resultaten van de anti-resonantiefrequentie van de hydrofoon is voornamelijk te wijten aan het feit dat het oppervlak van het prototype van de hydrofoon is ingegoten met een laag waterdicht polyurethaanrubber met een dikte van 2 mm, wat de equivalente trillingskwaliteit van de hydrofoon zal vergroten. Het is moeilijk om dit visco-elastische materiaal te simuleren op de COMSOL-simulatiesoftware. De nauwkeurigheid van de montage van de structurele onderdelen en het verbindingsproces zullen ook een zekere impact hebben op de prestaties van de hydrofoon. De bovengenoemde twee factoren veroorzaken het verschil tussen de gemeten gegevens en de eindige-elementensimulatiewaarde. . Vergelijk de gemeten gegevens van het ontvangstgevoeligheidsniveau in de frequentieband 500 Hz~2,5 kHz met de simulatieresultaten, zoals weergegeven in afbeelding 19. In deze frequentieband is het gemeten maximale ontvangstgevoeligheidsniveau −178 dB en is de fluctuatie minder dan 4 dB. De gemeten gegevens en de gesimuleerde waarde De trend is hetzelfde en de gemeten gegevens fluctueren iets groter dan de gesimuleerde waarde.

Wat betreft de ontvangstgevoeligheidstest van de hydrofoon in verschillende azimuts, werden respectievelijk de axiale en radiale ontvangstgevoeligheidsniveaus van de hydrofoon getest. De testresultaten worden getoond in Figuur 20. Het ontvangstgevoeligheidsniveau is ongeveer hetzelfde, en er kan van worden uitgegaan dat de hydrofoon geen richtingsgevoeligheid heeft in de werkfrequentieband van 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Conclusie

1) Ontwerpen en produceren van een laagfrequente buighydrofoon. De meethydrofoon heeft een ontvangstgevoeligheidsniveau van −178 dB in de frequentieband 500 Hz − 2,5 kHz, en de fluctuatie is minder dan 4 dB. 2. De kleine laagfrequente buighydrofoon heeft de kenmerken gerealiseerd van het ontvangen van geluidsgolven met een hogere gevoeligheid, wat een leidende betekenis heeft voor de toepassing van de buigschijfstructuur in de hydrofoon.