Forskning på lavfrekvent buet hydrofon

For å motta lavfrekvente lydbølger med høy følsomhet, ble en dobbeltsidig tre-laminert bøyelig hydrofon studert, ved å bruke finite element-programvaren COMSOL på simulerings- og optimaliseringsdesignet til den buede hydrofonen. Påvirkningen av hver del på mottaksfølsomhetsgraden til hydrofonen ble analysert for å gi det optimale opplegget. Til slutt produserte vi en hydrofonprototype og testet den i vannet. Maksimal størrelse på hydrofonprototypen var 45 mm. Eksperimentresultatene viser at i mottaksfrekvensområdet 500 Hz−2,5 kHz, var maksimal mottakstrykkfølsomhetsgrad −178 dB, bølgende mindre enn 4 dB. Eksperimentresultatet er det samme som simulering.

 

Som en undervanns akustisk transdusersignalmottaksenhet , en lydtrykkhydrofon kan brukes til å fange opp subtile endringer i undervannslydtrykksignalene, generere en spenningsutgang proporsjonal med lydtrykket, og konvertere lydenergi til elektriske signaler som er enkle å observere. Nøkkelutstyret for normal drift av sonarsystemet er et uunnværlig og nødvendig utstyr i den akustiske undervannsforskningen. Imidlertid har de eksisterende lavfrekvente, høyfølsomme hydrofonene ofte en relativt stor størrelse. Den tre-stablede skivestrukturen til svingeren, bøyningsvibrasjonsmodusen dominerer vibrasjonen, har egenskapene til lav resonansfrekvens, liten størrelse, enkel struktur og så videre. Ved bruk av trestabelskiven brukes den imidlertid mer på transduseren eller vektorhydrofonen, og mindre på hydrofonen med akustisk trykk. Ulempen med lavfrekvente bøyehydrofoner er at arbeidsfrekvensbåndet er veldig smalt, men som kommersielt tilgjengelige hydrofoner er båndbredden veldig bred, men følsomhetsnivået er ikke høyt. Hvis det er behov for å motta lydbølger kun i et spesifikt lavfrekvensbånd, bøyes lamineringene. Hydrofonen med den strukturerte strukturen har fordelen med høyt følsomhetsnivå og har sin bruksverdi. Denne artikkelen har til hensikt å designe en buet hydrofon med tre lamineringer, som drar fordel av den lille størrelsen og lave resonanspunktet til trelamineringsplaten, og tar i bruk designformen for å koble to øvre og nedre tre-lamineringsplater parallelt, og justerer den grunnleggende frekvensen gjennom størrelsesoptimering. Posisjonen til resonanspunktet brukes til å realisere en liten hydrofon med høy følsomhetsrespons i lavfrekvensbånd.

 

 

1 Utformingen av den tre-laminerte buede hydrofonen

Tre-laminert bøyehydrofon, den midtre delen er en metallring, metallringen binder to tre-lamineringsskiver symmetrisk opp og ned, den piezoelektriske keramikken til tre-lamineringsskivene er koblet i serie, og de øvre og nedre to tre-lamineringsskivene er koblet i serie. Gjennom parallellkobling kan denne strukturen få hydrofonen til å vibrere symmetrisk, og er enkel å montere og produsere.

 

2 Finite element simulering av hydrofon

COMSOL multifysikksimulering finite element-programvare, med akustisk-piezoelektrisk interaksjonsmodul, kan brukes til å analysere multifysikkproblemer som væskestrukturkobling i planbølge eller sfærisk bølgelydfelt, og kan direkte simulere arbeidsscenen til hydrofonsvinger som mottar lydbølger i vann. Og kan trekke ut den tilsvarende spenningen til den piezoelektriske keramiske overflaten til hydrofonen for å beregne mottaksfølsomheten. Denne artikkelen bruker COMSOL-programvare til å analysere og designe den buede hydrofonen.

 

2.1 Finite element simuleringsmodell av hydrofon

Bruk COMSOL multiphysics simuleringsprogramvare for å utføre finite element-analyse på den utformede hydrofonen. Først etablerer du den endelige elementmodellen til hydrofonen, og ignorer bindingslaget mellom den piezoelektriske keramikken og metallet, bindingslaget mellom metallene og polyuretangummien som er innstøpt i det ytterste laget i modelleringen. Etablere en tredimensjonal modell av hydrofonen med lim og sveiset elektrodetråder, velg PZT- choos som PZT-5. duralumin, kobber eller stål som materiale for den midterste metallskiven, og velg kobber som materiale for den midterste metallringen.

 

2.2 Forskning på vibrasjonsmodusen til hydrofonen

Ved å bruke COMSOL-programvare til å analysere den karakteristiske frekvensen til hydrofonen, kan du intuitivt få den karakteristiske frekvensen og vibrasjonsforskyvningen til de forskjellige vibrasjonsmodusene til hydrofonen. Det skjematiske diagrammet inkluderer den relative posisjonen til hver del av hydrofonen i hver vibrasjonsmodus. Disse analyseresultatene bidrar til å bedre forstå arbeidsprinsippet til hydrofonen. Vibrasjonen av førsteordens vibrasjonsmodus til en hydrofon av en viss størrelse. Denne vibrasjonsmodusen er modusen når hydrofonen mottar lydbølger.

 

 

2.3 Strukturell optimeringsdesign av hydrofon

Bruk av COMSOL-programvare for å simulere og analysere arbeidsytelsen til hydrofonen i vannet. Du kan direkte etablere et vannområde med en radius på 0,05 m rundt hydrofonen, og deretter sette et plan lydbølgebakgrunnsfelt med et lydtrykk på 1 Pa i vannområdet for å simulere Det faktiske arbeidsscenarioet til hydrofonen i vann, den etablerte undervannsmodellen av hydrofonen er vist i figur 4. I COMSOL-analyseinnstillingen velger forskningstrinnet av det enkle frekvensområdet til det enkle harmoniske systemet til harmonisk respons. eksitasjon kan analyseres, og spenningen eksitert av hydrofonen under påvirkning av lydbølger med forskjellige frekvenser kan beregnes. Trekk deretter ut spenningen på den piezoelektriske keramiske overflaten til hydrofonen, og beregn det tilsvarende mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonen gjennom en formel. Siden hydrofonen fungerer i åpen kretstilstand, er toppen av hydrofonens mottaksfølsomhet ved antiresonansfrekvensen, og mottaksfølsomhetsnivået til en undervannshydrofon av en viss størrelse simuleres.

 

Det kan sees fra simuleringsresultatene at mottaksfølsomhetsnivåkurven til hydrofonen med denne strukturen er relativt flat i lavfrekvensbåndet. Deretter vil vi studere dimensjonsendringene til hver del av hydrofonen, og effekten av antiresonansfrekvensen og det lavfrekvente mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonpåvirkningen. Ved å ta de geometriske parameterne til PZT og metallskivene i tri-stacken, og typen metallmaterialer som variabler, tas størrelsen og fluktuasjonsgraden til den designet hydrofons lydtrykkmottakende følsomhetsnivå i lavfrekvensbåndet som mål, og hydrofonen utføres. Den optimaliserte utformingen av hydrofonen tilstreber å gjøre lydtrykket som mottar følsomhetsnivået til hydrofonen i lavfrekvensbåndet så høyt som mulig og svingningene så små som mulig. Variablene som brukes i simuleringsanalysen av metoden med kontrollert variabel er: 1) materialegenskapene til de tre laminerte metallskivene; 2) forholdet mellom PZT-radius og metallplateradius; 3) forholdet mellom PZT-tykkelsen og tykkelsen på metallplaten; 4) tykkelsen på de tre laminerte arkene med samme tykkelse sammenlignet med radien.

 

2.3.1 Typer PZT og typer metallplater

Endre typen metallskive i midten av de tre lamineringene, og få antiresonansfrekvensen og mottaksfølsomhetsnivåkurven til hydrofonen i vann ved simuleringsberegning. Resultatene er vist i tabell 1 og figur 6.

Det kan sees fra tabell 1 at når Youngs modul til det valgte metallet gradvis øker, øker antiresonansfrekvensen til hydrofonen gradvis. Det kan sees fra fig. 6 at når Youngs modul til metallplaten gradvis øker, avtar mottaksfølsomhetsnivået til lavfrekvensbåndet til hydrofonen gradvis.

 

2.3.2 Forholdet mellom PZT-radius og metallplateradius

Hold tykkelsen på PZT og den mellomliggende metallplaten uendret, og ta radiusen til den mellomliggende metallplaten som 20 mm. Når bare PZT-radiusen endres, vises hydrofonens antiresonansfrekvens og mottaksfølsomhetsnivåkurver i vannet i figur 7 og 8.

Det kan ses av fig. 7 at når radiusen til PZT øker, øker antiresonansfrekvensen til hydrofonen i vannet gradvis, og når den nærmer seg 20 mm øker knapt antiresonansfrekvensen. Figur 8 viser at etter hvert som PZT-radiusen blir større, reduseres mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonen i lavfrekvensbåndet gradvis, men graden av reduksjon er ikke stor, og svingningene er mer flate. 2.3.3 Forholdet mellom PZT-tykkelse og metalltykkelse holder PZT og radiusen til den midterste metallplaten uendret. Tykkelsen på den midterste metallplaten er 1 mm, og kun PZT-tykkelsen endres. Antiresonansfrekvensen og mottaksfølsomhetsnivåkurven til hydrofonen i vann er vist i figur 9 og 10.

 

Det kan sees fra figur 9 at når tykkelsen på PZT øker, øker antiresonansfrekvensen til hydrofonen i vann gradvis. Når den når samme tykkelse som metallplaten på 1 mm, når antiresonansfrekvensen maksimum, og PZT-tykkelsen fortsetter å øke. Antiresonansfrekvensen til hydrofonen reduseres i stedet. Det kan sees fra figur 10(a) at når tykkelsen på PZT øker fra 0,2 mm til 0,5 mm, øker mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonen i lavfrekvensbåndet gradvis, og svingningene blir mer flate. Men når tykkelsen på PZT er 0,4 mm, er situasjonen spesiell, og mottaksfølsomhetsnivået til lavfrekvensbåndet synker plutselig; fra figur 10(b), kan det sees at når tykkelsen av PZT øker fra 0,5 mm til 1,5 mm, vil den lavfrekvente mottaksfølsomheten til hydrofonen reduseres gradvis, og fluktuasjonen er nesten uendret.

 

2.3.4 Forholdet mellom tykkelse og radius for tre laminerte plater med samme tykkelse

Når tykkelsen på metallplaten i mellomlaget er den samme som tykkelsen på PZT, er den ekvivalente elektromekaniske koblingskoeffisienten til trelagsplaten størst. Deretter analyseres påvirkningen av forholdet mellom tykkelse og radius av trelagsplaten med lik tykkelse på hydrofonens undervannsoperasjon. Hold tykkelsen og radiusen til de tre laminerte metallplatene med samme tykkelse uendret, PZT-radiusen uendret, hold PZT-en og metalltykkelsen den samme, og endre bare tykkelsen på PZT (metallplate). Som vist i figur 11 og 12.

 

Det kan sees fra figur 11 at etter hvert som tykkelsen på PZT (metallplate) øker, øker antiresonansfrekvensen i vannet til hydrofonen gradvis. I figur 12, når tykkelsen på PZT (metallplate) gradvis øker, reduseres mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonen i lavfrekvensbåndet gradvis, og svingningene blir gradvis mindre.

 

2.3.5 Regularitetsanalyse

Responsendringsloven oppnådd i optimaliseringsprosessen ovenfor kan oppsummeres som følger: 1) Etter hvert som Youngs modul til den midterste metallskiven gradvis øker, vil antiresonansfrekvensen til undervannskommunikasjonshydrofonen blir gradvis større, og mottaksfølsomhetsnivået til lavfrekvensbåndet blir mindre og svinger. 2) Etter hvert som forholdet mellom PZT og metallplateradius blir større, blir antiresonansfrekvensen til hydrofonen i vann større, mottaksfølsomhetsnivået til lavfrekvensbåndet avtar, og svingningen blir mindre; 3) Etter hvert som forholdet mellom PZT-tykkelsen og metallplatetykkelsen blir større, øker antiresonansfrekvensen til hydrofonen i vannet først og synker deretter, når toppverdien ved et forhold på 1, og lavfrekvent mottaksfølsomhetsnivå øker først og avtar, når toppen med et forhold på ca. 05, og gradvis reduseres; 4) osv. I det tykke trippellaminatet, ettersom forholdet mellom tykkelsen og radiusen til PZT (metallplaten) blir større, blir antiresonansfrekvensen til hydrofonen i vann større, mottaksfølsomhetsnivået i lavfrekvensbåndet blir mindre, og fluktuasjonen blir mindre. Generelt, jo større transduserstørrelsen er, jo mindre er dens resonansfrekvens, og den grunnleggende resonansfrekvensen til hydrofonen øker med økningen av PZT-radius eller tykkelse. Dette er fordi hydrofonen bruker tre. Den bøyelige vibrasjonsmodusen til det laminerte arket. Den viktigste påvirkningsfaktoren til denne vibrasjonsmodusen er stivheten til tripleksen. Når PZT-radiusen eller tykkelsen øker, blir stivheten til hele tripleksen større, så resonansen til tripleks bøyningsvibrasjonsmodus. Frekvensen vil bli større, noe som gjør resonansfrekvensen til hydrofonen større. Høyden på metallringen som er klemt i midten av hydrofonen er mye mindre enn diameteren til det trelags arket, og det deltar ikke i bøyningsvibrasjonen til det trelags arket, så virkningen på hydrofonen er liten.

 

2.4 Endelig resultat

I henhold til den ovennevnte påvirkningsloven gjennom strukturell optimalisering, og tatt i betraktning vanskeligheten ved selve produksjonsprosessen til de ulike delene av hydrofonen, bestemmes til slutt størrelsesparametrene til de ulike delene av hydrofonen som vist i tabell 2. Bruk COMSOL programvare for å simulere og beregne impedanskurven til hydrofonen i vann. Antiresonansfrekvensen er 5,2 kHz, som vist i figur 13.

 

 

 

 

Bruk COMSOL-programvaren til å simulere og beregne mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonen i frekvensområdet 100 Hz til 6 kHz, som vist i figur 14.

Bruk av COMSOL-programvare til å simulere og beregne mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonen i frekvensområdet 100 Hz til 6 kHz, som vist i figur 14.

I lavfrekvensbåndet 100 Hz~2,5 kHz er mottaksfølsomhetsnivået til hydrofonen ca. -178 dB, og fluktuasjonen er mindre enn 3 dB, som vist i figur 15. Når bølgelengden til lydbølgen er mye større enn den maksimale lineære skalaen til transduseren har ingen direkte transduser. I hydrofonens arbeidsfrekvensbånd er minimumsbølgelengden når lydbølgefrekvensen er 2,5 kHz 0,6 m, som er større enn maksimalstørrelsen på hydrofonen med 0,045 m, det kan betraktes at hydrofonen ikke har noen retningsvirkning når den mottar lydbølger.

 

3 Produksjon og testing av hydrofon

I henhold til de endelige strukturelle parametrene til hydrofonen optimalisert av COMSOL, ble de strukturelle komponentene behandlet og hydrofonprototypen ble laget, som vist i figur 16. Etter innstøping er hydrofonens diameter 45 mm og tykkelsen er 12 mm.

Ytelsestesten av hydrofon ble utført i et ekkofritt basseng, størrelsen på bassenget var 25 m × 16 m × 10 m, og sammenligningsmetoden ble brukt for måling, og en standard hydrofon (B&K 8105) ble brukt for sammenligningsmåling. Pulssignaloverføring er vedtatt, og avstanden mellom transduseren og standard hydrofonen er 1,5 m (tilfredsstiller fjernfeltstilstanden), og den er plassert langs bassengets lengde med en hengende dybde på 4 m. Admittanskurven i vannet til prototypens hydrofon måles til slutt som vist i figur 17.

 

 

Det kan sees fra figur 17 at antiresonansfrekvensen til hydrofonprototypen er 3,3 kHz. På grunn av begrensningen av den nedre grensen for lydbølgefrekvensen at den sendetransduseren som brukes bare kan overføre 500 Hz lydbølge, er den laveste frekvensen til målevannsmottaksfølsomhetsnivåkurven 500 Hz, som vist i figur 18.

Det kan sees fra figur 18 at i frekvensbåndet 500 Hz ~ 2,5 kHz er mottakerfølsomhetsnivået til hydrofonen på det meste -178 dB, og svingningen er mindre enn 4 dB. Forskjellen mellom måleresultatene og de simulerte resultatene av antiresonansfrekvensen til hydrofonen skyldes hovedsakelig det faktum at overflaten på hydrofonprototypen er innkapslet med et lag vanntett polyuretangummi med en tykkelse på 2 mm, noe som vil øke den ekvivalente vibrasjonskvaliteten til hydrofonen. Det er vanskelig å simulere dette viskoelastiske materialet på COMSOL-simuleringsprogramvaren. Monteringsnøyaktigheten til de strukturelle delene og bindingsprosessen vil også ha en viss innvirkning på hydrofonens ytelse. De to ovennevnte faktorene forårsaker forskjellen mellom de målte dataene og simuleringsverdien for finite element. . Sammenlign de målte dataene for mottaksfølsomhetsnivået i 500 Hz~2,5 kHz frekvensbåndet med simuleringsresultatene, som vist i figur 19. I dette frekvensbåndet er det målte maksimale mottaksfølsomhetsnivået −178 dB, og fluktuasjonen er mindre enn 4 dB. De målte dataene og den simulerte verdien Trenden er den samme, og de målte dataene svinger litt større enn den simulerte verdien.

Når det gjelder mottakssensitivitetstesten av hydrofonen i forskjellige asimuter, ble de aksiale og radielle mottaksfølsomhetsnivåene til hydrofonen testet henholdsvis. Testresultatene er vist i figur 20. Mottaksfølsomhetsnivået er omtrent det samme, og det kan vurderes at hydrofonen ikke har noen retningsvirkning i arbeidsfrekvensbåndet på 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Konklusjon

1) Designe og produsere en lavfrekvent bøyehydrofon. Målehydrofonen har et mottaksfølsomhetsnivå på −178 dB i frekvensbåndet 500Hz−2,5 kHz, og fluktuasjonen er mindre enn 4 dB. 2.Den lavfrekvente bøyehydrofonen i liten størrelse har innsett egenskapene til å motta lydbølger med høyere følsomhet, noe som har veiledende betydning for bruken av bøyeskivens struktur i hydrofonen.