Badania nad zakrzywionym hydrofonem niskiej częstotliwości

Aby odbierać fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości z dużą czułością, zbadano dwustronny, trójwarstwowy hydrofon zginany, stosując oprogramowanie elementów skończonych COMSOL do symulacji i optymalizacji projektu zakrzywionego hydrofonu. Aby zapewnić optymalny schemat, przeanalizowano wpływ każdej części na stopień czułości odbiorczej hydrofonu. Na koniec wyprodukowaliśmy prototyp hydrofonu i przetestowaliśmy go w wodzie. Maksymalny rozmiar prototypu hydrofonu wynosił 45 mm. Wyniki eksperymentu pokazują, że w zakresie częstotliwości odbioru 500 Hz - 2,5 kHz maksymalny stopień czułości na ciśnienie odbioru wynosił -178 dB, przy falowaniu mniejszym niż 4 dB. Wynik eksperymentu jest taki sam jak wynik symulacji.

 

jako podwodny przetwornik akustyczny odbierający sygnał, hydrofon ciśnienia akustycznego może być używany do wychwytywania subtelnych zmian w podwodnych sygnałach ciśnienia akustycznego, generowania napięcia wyjściowego proporcjonalnego do ciśnienia akustycznego i przekształcania energii dźwiękowej na sygnały elektryczne, które są łatwe do obserwacji. Kluczowym sprzętem do normalnej pracy systemu sonaru jest sprzęt niezbędny i niezbędny w podwodnych badaniach akustycznych. Jednakże istniejące hydrofony o niskiej częstotliwości i wysokiej czułości często mają stosunkowo duże rozmiary. Trójwarstwowa struktura przetwornika, tryb wibracji zginających dominuje w wibracjach, ma cechy niskiej częstotliwości rezonansowej, małych rozmiarów, prostej konstrukcji i tak dalej. Jednak przy zastosowaniu dysku trójwarstwowego stosuje się go częściej w przetworniku nadawczym lub hydrofonie wektorowym, a mniej w hydrofonie ciśnienia akustycznego. Wadą hydrofonów zginanych o niskiej częstotliwości jest to, że pasmo częstotliwości roboczej jest bardzo wąskie, ale podobnie jak w przypadku hydrofonów dostępnych na rynku, pasmo jest bardzo szerokie, ale poziom czułości nie jest wysoki. Jeżeli istnieje potrzeba odbioru fal dźwiękowych tylko w określonym paśmie niskich częstotliwości, to laminaty są wyginane. Hydrofon o strukturalnej budowie ma tę zaletę, że ma wysoki poziom czułości i ma swoją wartość użytkową. W artykule zamierzono zaprojektować zakrzywiony hydrofon z trzema warstwami, który wykorzystuje małe rozmiary i niski punkt rezonansu dysku z trzema warstwami i przyjmuje formę projektową polegającą na równoległym połączeniu dwóch górnych i dolnych dysków z trzema warstwami oraz dostosowuje częstotliwość podstawową poprzez optymalizację rozmiaru. Położenie punktu rezonansowego służy do realizacji hydrofonu o małych rozmiarach i wysokiej czułości w paśmie niskich częstotliwości.

 

 

1 Konstrukcja zakrzywionego hydrofonu z trzema warstwami

Hydrofon do gięcia trójwarstwowego, środkowa część to metalowy pierścień, metalowy pierścień symetrycznie łączy dwie trójwarstwowe tarcze w górę i w dół, ceramika piezoelektryczna trójwarstwowych tarcz jest połączona szeregowo, a górna i dolna dwie trójwarstwowe tarcze są połączone szeregowo. Dzięki połączeniu równoległemu konstrukcja ta może powodować symetryczne wibracje hydrofonu oraz jest łatwa w montażu i produkcji.

 

2 Symulacja elementów skończonych hydrofonu

Oprogramowanie COMSOL do symulacji wielofizycznej elementów skończonych, z modułem interakcji akustyczno-piezoelektrycznej, może być wykorzystywane do analizy problemów wielofizycznych, takich jak sprzężenie struktury płynnej w polu dźwiękowym fali płaskiej lub fali sferycznej, i może bezpośrednio symulować scenę roboczą przetwornik hydrofonowy odbierający fale dźwiękowe w wodzie. I może wyodrębnić odpowiednie napięcie piezoelektrycznej powierzchni ceramicznej hydrofonu, aby obliczyć czułość odbioru. W tym artykule wykorzystano oprogramowanie COMSOL do analizy i projektowania zakrzywionego hydrofonu.

 

2.1 Model symulacyjny hydrofonu metodą elementów skończonych

Użyj oprogramowania symulacyjnego COMSOL multiphysics do przeprowadzenia analizy elementów skończonych na zaprojektowanym hydrofonie. Najpierw ustal model elementów skończonych hydrofonu i pomiń warstwę łączącą ceramikę piezoelektryczną z metalem, warstwę łączącą metale oraz gumę poliuretanową zatopioną w najbardziej zewnętrznej warstwie modelowania. Stworzenie trójwymiarowego modelu hydrofonu z klejem i spawanymi drutami elektrodowymi, wybierając PZT-5 jako piezoelektryczny materiał ceramiczny, wybierz duraluminium, miedź lub stal jako materiał na środkowy metalowy krążek, a jako materiał na metalowy krążek wybierz miedź środkowy metalowy pierścień.

 

2.2 Badania trybu drgań hydrofonu

Używając oprogramowania COMSOL do analizy częstotliwości charakterystycznej hydrofonu, można intuicyjnie uzyskać częstotliwość charakterystyczną i przemieszczenie drgań dla różnych trybów drgań hydrofonu. Schemat ideowy przedstawia względne położenie każdej części hydrofonu w każdym trybie wibracji. Wyniki analizy pomagają lepiej zrozumieć zasadę działania hydrofonu. Wibracja trybu wibracji pierwszego rzędu hydrofonu o określonej wielkości. Ten tryb wibracji to tryb, w którym hydrofon odbiera fale dźwiękowe.

 

 

2.3 Projekt optymalizacji strukturalnej hydrofonu

Wykorzystanie oprogramowania COMSOL do symulacji i analizy pracy hydrofonu w wodzie. Można bezpośrednio wyznaczyć obszar wodny o promieniu 0,05 m wokół hydrofonu, a następnie ustawić w obszarze wodnym płaskie pole tła fali dźwiękowej o ciśnieniu akustycznym 1 Pa w celu symulacji. Rzeczywisty scenariusz pracy hydrofonu w wodzie. Ustalony podwodny model hydrofonu pokazano na rysunku 4. W ustawieniu analizy COMSOL na etapie badawczym wybiera się dziedzinę częstotliwości, tak aby można było przeanalizować reakcję całego układu liniowego poddawanego wzbudzeniu harmonicznymi prostymi i wzbudzone napięcie przez hydrofon pod wpływem fal dźwiękowych o różnych częstotliwościach. Następnie wyodrębnij napięcie na piezoelektrycznej powierzchni ceramicznej hydrofonu i oblicz odpowiadający mu poziom czułości odbioru hydrofonu za pomocą wzoru. Ponieważ hydrofon pracuje w stanie obwodu otwartego, szczytowa czułość odbioru hydrofonu przypada na jego częstotliwość antyrezonansową, a poziom czułości odbioru wynosi symulowany jest podwodny hydrofon o określonej wielkości.

 

Z wyników symulacji wynika, że ​​krzywa poziomu czułości odbiorczej hydrofonu o tej konstrukcji jest stosunkowo płaska w paśmie niskich częstotliwości. Następnie zbadamy zmiany wymiarowe każdej części hydrofonu oraz wpływ częstotliwości antyrezonansowej i poziomu czułości odbioru niskich częstotliwości na wpływ hydrofonu. Przyjmując jako zmienne parametry geometryczne PZT i metalowych krążków układu tri-stack oraz rodzaj materiałów metalowych, za cel przyjmuje się wielkość i stopień wahań poziomu czułości odbioru ciśnienia akustycznego projektowanego hydrofonu w paśmie niskich częstotliwości i hydrofon jest wykonywany. Zoptymalizowana konstrukcja hydrofonu dąży do tego, aby poziom czułości odbioru ciśnienia akustycznego hydrofonu w paśmie niskich częstotliwości był jak najwyższy, a wahania możliwie najmniejsze. Zmienne wykorzystywane w analizie symulacyjnej metody zmiennej kontrolowanej to: 1) właściwości materiałowe trzech laminowanych krążków metalowych; 2) stosunek promienia PZT do promienia blachy; 3) stosunek grubości PZT do grubości blachy; 4) grubość trzech laminowanych arkuszy o jednakowej grubości w porównaniu z promieniem.

 

2.3.1 Rodzaje PZT i rodzaje blach

Zmień rodzaj metalowego krążka pośrodku trzech warstw i uzyskaj krzywą częstotliwości antyrezonansowej i poziomu czułości hydrofonu w wodzie poprzez obliczenia symulacyjne. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1 i Rycinie 6.

Z tabeli 1 wynika, że ​​wraz ze stopniowym wzrostem modułu Younga wybranego metalu, stopniowo wzrasta częstotliwość antyrezonansowa hydrofonu. Z rys. 6 widać, że wraz ze stopniowym wzrostem modułu Younga blachy stopniowo maleje poziom czułości odbiorczej pasma niskich częstotliwości hydrofonu.

 

2.3.2 Stosunek promienia PZT do promienia blachy

Zachowaj niezmienioną grubość PZT i blachy pośredniej, a promień blachy pośredniej przyjmuj jako 20 mm. Przy zmianie tylko promienia PZT krzywe częstotliwości antyrezonansowej hydrofonu i poziomu czułości odbiorczej w wodzie przedstawiono na rysunkach 7 i 8.

Z rys. 7 widać, że wraz ze wzrostem promienia PZT częstotliwość antyrezonansowa hydrofonu w wodzie stopniowo wzrasta, a gdy zbliża się do 20 mm, częstotliwość antyrezonansowa prawie nie wzrasta. Z rysunku 8 wynika, że ​​w miarę zwiększania się promienia PZT poziom czułości odbiorczej hydrofonu w paśmie niskich częstotliwości stopniowo maleje, jednak stopień spadku nie jest duży, a wahania są bardziej płaskie. 2.3.3 Stosunek grubości PZT do grubości metalu powoduje, że PZT i promień środkowej blachy pozostają niezmienione. Grubość blachy środkowej wynosi 1 mm, zmienia się jedynie grubość PZT. Krzywą częstotliwości antyrezonansowej i poziomu czułości odbiorczej hydrofonu w wodzie przedstawiono na rysunkach 9 i 10.

 

Z rysunku 9 widać, że wraz ze wzrostem grubości PZT stopniowo wzrasta częstotliwość antyrezonansowa hydrofonu w wodzie. Kiedy osiągnie tę samą grubość co blacha o grubości 1 mm, częstotliwość antyrezonansowa osiąga maksimum, a grubość PZT nadal rośnie. Zamiast tego zmniejsza się częstotliwość antyrezonansowa hydrofonu. Z rysunku 10(a) wynika, że ​​wraz ze wzrostem grubości PZT od 0,2 mm do 0,5 mm poziom czułości odbioru hydrofonu w paśmie niskich częstotliwości stopniowo wzrasta, a wahania stają się bardziej płaskie. Jednakże, gdy grubość PZT wynosi 0,4 mm, sytuacja jest szczególna i poziom czułości odbioru pasma niskich częstotliwości gwałtownie maleje; z rysunku 10 (b) można zauważyć, że gdy grubość PZT wzrasta od 0,5 mm do 1,5 mm, czułość hydrofonu na odbiór niskich częstotliwości Poziom stopniowo maleje, a wahania pozostają prawie niezmienione.

 

2.3.4 Stosunek grubości do promienia trzech laminowanych arkuszy o jednakowej grubości

Gdy grubość blachy w warstwie środkowej jest równa grubości PZT, równoważny współczynnik sprzężenia elektromechanicznego blachy trójwarstwowej jest największy. Następnie zbadano wpływ stosunku grubości do promienia trójwarstwowej blachy o jednakowej grubości na pracę hydrofonu pod wodą. Zachowaj niezmienioną grubość i promień trzech laminowanych arkuszy blachy o równej grubości, promień PZT niezmieniony, zachowaj PZT i grubość metalu taką samą, a zmień tylko grubość PZT (blachy). Jak pokazano na rysunkach 11 i 12.

 

Z rysunku 11 wynika, że ​​wraz ze wzrostem grubości PZT (blachy) stopniowo wzrasta częstotliwość antyrezonansowa w wodzie hydrofonu. Na rysunku 12, w miarę stopniowego zwiększania się grubości PZT (blachy), poziom czułości odbiorczej hydrofonu w paśmie niskich częstotliwości stopniowo maleje, a wahania stopniowo stają się mniejsze.

 

2.3.5 Analiza prawidłowości

Prawo zmiany odpowiedzi uzyskane w powyższym procesie optymalizacji można podsumować w następujący sposób: 1) W miarę stopniowego wzrostu modułu Younga środkowego metalowego krążka częstotliwość antyrezonansowa Hydrofon do komunikacji podwodnej stopniowo staje się większy, a poziom czułości odbioru pasma niskich częstotliwości staje się mniejszy i ulega wahaniom. 2) W miarę zwiększania się stosunku PZT do promienia blachy, częstotliwość antyrezonansowa hydrofonu w wodzie wzrasta, poziom czułości odbiorczej pasma niskich częstotliwości maleje, a wahania stają się mniejsze; 3) W miarę zwiększania się stosunku grubości PZT do grubości blachy częstotliwość antyrezonansowa hydrofonu w wodzie najpierw wzrasta, a następnie maleje, osiągając wartość szczytową przy stosunku 1, a poziom czułości odbioru niskich częstotliwości najpierw wzrasta, a następnie maleje, osiągając wartość szczytową przy stosunku około 0,5, a wahania niskich częstotliwości stopniowo maleją; 4) itd. W grubym potrójnym laminacie wraz ze wzrostem stosunku grubości do promienia PZT (blachy) zwiększa się częstotliwość antyrezonansowa hydrofonu w wodzie, zmniejsza się poziom czułości odbioru w paśmie niskich częstotliwości i zmniejszają się wahania. Ogólnie rzecz biorąc, im większy rozmiar przetwornika, tym mniejsza jest jego częstotliwość rezonansowa, a podstawowa częstotliwość rezonansowa hydrofonu wzrasta wraz ze wzrostem promienia lub grubości PZT. Dzieje się tak, ponieważ hydrofon wykorzystuje trzy tryby drgań zginających laminowanego arkusza. Głównym czynnikiem wpływającym na ten tryb wibracji jest sztywność tripleksu. Gdy wzrasta promień lub grubość PZT, sztywność całego tripleksu staje się większa, więc rezonans potrójnego trybu wibracji zginających. Częstotliwość stanie się większa, zwiększając częstotliwość rezonansową hydrofonu. Wysokość metalowego pierścienia zaciśniętego pośrodku hydrofonu jest znacznie mniejsza niż średnica blachy trójwarstwowej i nie uczestniczy on w drganiach zginających blachy trójwarstwowej, dzięki czemu wpływ na hydrofon jest niewielki.

 

2.4 Wynik końcowy

Zgodnie z wyżej wymienionym prawem wpływu poprzez optymalizację strukturalną i biorąc pod uwagę złożoność rzeczywistego procesu produkcji różnych części hydrofonu, ostatecznie określa się parametry wielkości różnych części hydrofonu, jak pokazano w tabeli 2. Użyj oprogramowania COMSOL do symulacji i obliczenia krzywej impedancji hydrofonu w wodzie. Częstotliwość antyrezonansowa wynosi 5,2 kHz, jak pokazano na rysunku 13.

 

 

 

 

Użyj oprogramowania COMSOL do symulacji i obliczenia poziomu czułości odbioru hydrofonu w zakresie częstotliwości od 100 Hz do 6 kHz, jak pokazano na rysunku 14.

Wykorzystanie oprogramowania COMSOL do symulacji i obliczenia poziomu czułości odbiorczej hydrofonu w zakresie częstotliwości od 100 Hz do 6 kHz, jak pokazano na rysunku 14.

W paśmie niskich częstotliwości 100 Hz ~ 2,5 kHz poziom czułości odbioru hydrofonu wynosi około -178 dB, a wahania są mniejsze niż 3 dB, jak pokazano na rysunku 15. Kiedy długość fali fali dźwiękowej jest znacznie większa niż maksymalna skala liniowa przetwornika, przetwornik nie ma kierunkowości. W paśmie częstotliwości roboczej hydrofonu minimalna długość fali przy częstotliwości fali dźwiękowej wynoszącej 2,5 kHz wynosi 0,6 m, czyli jest większa od maksymalnego rozmiaru hydrofonu o 0,045 m, można uznać, że hydrofon nie ma kierunkowości przy odbiorze fal dźwiękowych.

 

3 Produkcja i testowanie hydrofonu

Zgodnie z ostatecznymi parametrami konstrukcyjnymi hydrofonu zoptymalizowanymi przez COMSOL, poddano obróbce elementy konstrukcyjne i wykonano prototyp hydrofonu, jak pokazano na rysunku 16. Po zalewaniu średnica hydrofonu wynosi 45 mm, a grubość 12 mm.

Badanie działania hydrofonu przeprowadzono w basenie bezechowym o wymiarach 25 m × 16 m × 10 m, a do pomiaru zastosowano metodę porównawczą, a do pomiaru porównawczego wykorzystano hydrofon standardowy (B&K 8105). Przyjęto transmisję sygnału impulsowego, odległość przetwornika nadawczego od hydrofonu standardowego wynosi 1,5 m (spełniając warunek pola dalekiego) i rozmieszczono go na długości basenu o głębokości zawieszenia 4 m. Ostatecznie mierzono krzywą readmisji w wodzie prototypowego hydrofonu, jak pokazano na rysunku 17.

 

 

Z rysunku 17 wynika, że ​​częstotliwość antyrezonansowa prototypu hydrofonu wynosi 3,3 kHz. Ze względu na ograniczenie dolnej granicy częstotliwości fali dźwiękowej, zgodnie z którą zastosowany przetwornik nadawczy może transmitować jedynie falę dźwiękową o częstotliwości 500 Hz, najniższa częstotliwość krzywej poziomu czułości odbioru wody pomiarowej wynosi 500 Hz, jak pokazano na rysunku 18.

Z rysunku 18 wynika, że ​​w paśmie częstotliwości 500 Hz ~ 2,5 kHz poziom czułości odbiornika hydrofonu wynosi co najwyżej -178 dB, a wahania są mniejsze niż 4 dB. Różnica pomiędzy wynikami pomiaru i symulowanymi częstotliwości antyrezonansowej hydrofonu wynika głównie z faktu, że powierzchnia prototypu hydrofonu jest pokryta warstwą wodoszczelnej gumy poliuretanowej o grubości 2 mm, co zwiększy równoważną jakość drgań hydrofonu. Symulowanie tego lepkosprężystego materiału w oprogramowaniu symulacyjnym COMSOL jest trudne. Dokładność montażu części konstrukcyjnych i proces klejenia również będą miały pewien wpływ na wydajność hydrofonu. Powyższe dwa czynniki powodują różnicę pomiędzy danymi zmierzonymi a wartością symulacji elementów skończonych. . Porównaj zmierzone dane dotyczące poziomu czułości odbioru w paśmie częstotliwości 500 Hz ~ 2,5 kHz z wynikami symulacji, jak pokazano na rysunku 19. W tym paśmie częstotliwości zmierzony maksymalny poziom czułości odbioru wynosi -178 dB, a wahania są mniejsze niż 4 dB. Zmierzone dane i symulowana wartość Trend jest taki sam, a zmierzone dane wahają się nieco większe niż symulowana wartość.

Jeśli chodzi o test czułości odbioru hydrofonu w różnych azymutach, przetestowano odpowiednio osiowy i promieniowy poziom czułości odbioru hydrofonu. Wyniki testu przedstawiono na rysunku 20. Poziom czułości odbioru jest mniej więcej taki sam i można uznać, że hydrofon nie ma kierunkowości w zakresie częstotliwości roboczej 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Wniosek

1) Zaprojektowanie i wykonanie hydrofonu zginanego o niskiej częstotliwości. Hydrofon pomiarowy charakteryzuje się czułością odbiorczą wynoszącą -178 dB w paśmie częstotliwości 500 Hz - 2,5 kHz, a wahania są mniejsze niż 4 dB. 2. Niewielki hydrofon zginający o niskiej częstotliwości posiada charakterystykę odbioru fal dźwiękowych z większą czułością, co ma znaczenie przewodnie przy zastosowaniu struktury dysku zginającego w hydrofonie.