Eenrichtingscirculaire hydrofoonsensor

                                

Invoering

 

De ronde hydrofoon is een veelgebruikt type hydrofoon, dat over het algemeen wordt gebruikt in lage frequentiebanden. Het heeft de kenmerken van een vlakke frequentierespons, klein formaat, lage acceleratiegevoeligheid, niet-directiviteit en goede consistentie. De eenrichtingsverkeer De in dit artikel geïntroduceerde cirkelvormige hydrofoonsensor is gemaakt van een dipool keramische buis en een monopool keramische buis. Het signaal dat door de dipool wordt ontvangen, wordt in fase verschoven en versterkt, en vervolgens wordt het signaal ontvangen terwijl de monopool wordt gesynthetiseerd om een ​​hartvormige gerichtheid te vormen. De unidirectionele ronde hydrofoon is klein van formaat en licht van gewicht. Als piëzo-element van een grote ontvangstarray kan het het gewicht van de array effectief verminderen. Vooral bij gebruik in een conforme array kan het functioneren als een virtueel geluidsscherm en detectie realiseren. Er wordt onderscheid gemaakt tussen de haven en de haven.

 

1 Theoretische analyse

Het schematische diagram van de unidirectionele ronde hydrofoon wordt getoond in figuur 1. Het is te zien dat de unidirectionele ronde buishydrofoon de natuurlijke richtingsgevoeligheid van de dipool en de omnidirectionele richtingsgevoeligheid van de monopool gebruikt om de cardioïde richtingsgevoeligheid te synthetiseren.

 

In de lage frequentieband is het faseverschil tussen de monopooltrillingsmodus en de dipooltrillingsmodus van de piëzo-keramische buis van dezelfde grootte 90°, zodat de dipool piëzo-keramische buis kan worden gecompenseerd voor een fase van 90°. Tegelijkertijd is er een verschil in de grootte van het ontvangen signaal tussen de twee, dus de amplitude van de dipool moet worden versterkt zodat de invallende geluidsgolven in de 180°-richting elkaar opheffen en de richtingsgevoeligheid van de hydrofoon hartvormig is.

 

2 Eindige elementensimulatie van unidirectionele hydrofoon

Gebruik ANSYS-simulatiesoftware voor eindige elementen om een ​​hydrofoonmodel te bouwen. Zoals weergegeven in figuur 2 is het blauw een dipool, het rood een monopool en het roze een watergebied. Het gebruik van symmetrische grenzen kan het model vereenvoudigen en hoeft slechts een half model te bouwen. Het piëzo-elektrische keramische materiaal is PZT-5, de afmeting is φ20 mm x φ 18 mm x 10 mm, de resonantiefrequentie bedraagt ​​48 kHz.

Bereken volgens de theoretische analyse eerst de fase en de ontvangstgevoeligheid van respectievelijk de monopool- en dipool-ontvangstsignalen, en de resultaten worden weergegeven in Figuur 3 en Figuur 4. Het is te zien dat in de lage frequentieband het faseverschil tussen monopool- en dipoolstraling ongeveer 90 ° bedraagt, met fluctuaties van 2,5 °. Gevoeligheidsverschil veranderingscurve. De lijn heeft een minimale helling van ongeveer 6 kHz. Volgens dit kan de centrale werkfrequentie worden ingesteld op ongeveer 6 kHz, is de dipoolfaseverschuiving 90 graden en is de amplitudecompensatie 10 keer.

Volgens de hierboven berekende faseverschuiving en amplitudecompensatie wordt de unidirectionele ronde buis gesimuleerd en berekend, en wordt het richtingsdiagram weergegeven in figuur 5. Het is te zien dat de hydrofoon de beste hartvormige richtingsgevoeligheid heeft bij 6 kHz. In het bereik van 4 kHz ~ 12 kHz, het verschil in straling voor en na de hydrofoon. Boven de 10 dB kan worden aangenomen dat de hydrofoon unidirectioneel is en voor- en achterkant kan onderscheiden.

3 Maken en testen van een unidirectionele hydrofoon met ronde buis

Volgens de resultaten van de simulatieberekening wordt het werkelijke beeld van een unidirectionele hydrofoon met ronde buizen weergegeven in figuur 6.

Meet in het echovrije zwembad, gebruik het acquisitiebord voor data-acquisitie en gebruik Matlab om de verkregen gegevens te verwerken volgens de faseverschuiving en amplitudecompensatie verkregen door de simulatie. Het verkregen directiviteitsdiagram wordt getoond in 7.

De gemeten 4 kHz ~ 12 kHz directionele grafiekgegevens van de unidirectionele ronde buis zijn in principe consistent met de simulatie, maar het stralingsverschil aan de voor- en achterkant is iets kleiner dan het simulatieresultaat, dat wordt veroorzaakt door de grote en kleine dipool-acht-directiviteit. Deze test verifieert dat de unidirectionele hydrofoonsensor met ronde buis heeft breedband unidirectionele prestaties. Als ontvangend array-element heeft het de mogelijkheid om onderscheid te maken tussen stuurboord en stuurboord.

 

4 Conclusie

In dit artikel wordt een unidirectionele ronde buis ontworpen. Gebruikmakend van het principe van monopool- en dipooldirectiviteitssynthese, worden fasecompensatie en amplitudeversterking op de dipool uitgevoerd en kan de unidirectionaliteit in de frequentieband van 4 kHz ~ 12 kHz worden verkregen. Eindelijk slaagt het voor de test. De mogelijkheid van dit soort hydrofoon is geverifieerd en heeft een zeker praktisch perspectief. De volgende stap is het verbeteren van de productie van de dipoolbuis, het optimaliseren van de gevoeligheid van de hydrofoon en het verbreden van de werkfrequentieband.