Jednokierunkowy okrągły czujnik hydrofonowy

                                

Wstęp

 

Hydrofon okrągły jest powszechnie stosowanym rodzajem hydrofonu, który jest powszechnie stosowany w pasmach niskich częstotliwości. Charakteryzuje się płaską charakterystyką częstotliwościową, niewielkimi rozmiarami, niską czułością na przyspieszenie, niekierunkowością i dobrą spójnością. Jednokierunkowy Przedstawiony w artykule okrągły czujnik hydrofonowy wykonany jest z dipolowej rurki ceramicznej i jednobiegunowej rurki ceramicznej. Sygnał odbierany przez dipol jest przesuwany fazowo i wzmacniany, a następnie sygnał jest odbierany z syntezą monopolu, tworząc kierunkowość w kształcie serca. Jednokierunkowy okrągły hydrofon jest niewielki i lekki. Jako element piezoelektryczny dużego układu odbiorczego może skutecznie zmniejszyć wagę układu. Zwłaszcza gdy jest używany w układzie konforemnym, może działać jako wirtualna przegroda dźwiękowa i realizować wykrywanie. Rozróżnia się port i port.

 

1 Analiza teoretyczna

Schemat ideowy jednokierunkowego hydrofonu kołowego pokazano na rysunku 1. Można zauważyć, że jednokierunkowy hydrofon z rurą okrągłą wykorzystuje naturalną kierunkowość dipola i dookólną kierunkowość monopolu do syntezy kierunkowości kardioidalnej.

 

W paśmie niskich częstotliwości różnica faz pomiędzy trybem drgań monopolarnych i dipolowych w rurze piezoceramicznej tego samego rozmiaru wynosi 90°, zatem w dipolowej rurze piezoceramicznej można skompensować fazę 90°. Jednocześnie istnieje różnica w wielkości odbieranego sygnału między nimi, dlatego amplituda dipola powinna zostać wzmocniona, aby padające fale dźwiękowe w kierunku 180° znosiły się wzajemnie, a kierunkowość hydrofonu miała kształt serca.

 

2 Symulacja elementów skończonych hydrofon jednokierunkowy

Użyj oprogramowania do symulacji elementów skończonych ANSYS, aby zbudować model hydrofonu. Jak pokazano na rysunku 2, kolor niebieski to dipol, czerwony to monopol, a różowy to obszar wodny. Użycie symetrycznych granic może uprościć model i wystarczy zbudować model 1/2. Piezoelektryczny materiał ceramiczny to PZT-5, wymiary to φ20mm×φ18mm×10mm, jego częstotliwość rezonansowa wynosi 48kHz.

Zgodnie z analizą teoretyczną należy najpierw obliczyć fazę i czułość odbioru sygnałów odbierających odpowiednio monopol i dipol, a wyniki pokazano na rys. 3 i ryc. 4. Można zauważyć, że w paśmie niskich częstotliwości różnica faz między promieniowaniem monopolowym i dipolowym wynosi około 90°, z wahaniami 2,5°. Krzywa zmiany różnicy czułości. Linia ma minimalne nachylenie około 6 kHz. Zgodnie z tym środkową częstotliwość roboczą można ustawić na około 6 kHz, przesunięcie fazy dipolowej wynosi 90 stopni, a kompensacja amplitudy jest 10-krotna.

Zgodnie z obliczonymi powyżej przesunięciem fazowym i kompensacją amplitudy symuluje się i oblicza jednokierunkową lampę okrągłą, a wykres kierunkowości pokazano na rysunku 5. Można zauważyć, że hydrofon ma najlepszą kierunkowość w kształcie serca przy 6 kHz. W zakresie 4 kHz ~ 12 kHz różnica promieniowania przed i za hydrofonem. Powyżej 10 dB można uznać, że hydrofon jest jednokierunkowy i potrafi rozróżnić przód i tył.

3 Wykonanie i testowanie jednokierunkowego hydrofonu z rurą okrągłą

Zgodnie z wynikami obliczeń symulacyjnych rzeczywisty obraz jednokierunkowego hydrofonu z rurą okrągłą pokazano na rysunku 6.

Dokonaj pomiaru w basenie bezechowym, użyj płytki akwizycyjnej do gromadzenia danych i użyj Matlaba do przetworzenia uzyskanych danych zgodnie z przesunięciem fazowym i kompensacją amplitudy uzyskaną w wyniku symulacji. Uzyskany wykres kierunkowości pokazano na rysunku 7.

Zmierzone dane wykresu kierunkowego 4 kHz ~ 12 kHz dla jednokierunkowej lampy okrągłej są zasadniczo zgodne z symulacją, ale różnica promieniowania z przodu i z tyłu jest nieco mniejsza niż wynik symulacji, co jest spowodowane dużą i małą kierunkowością ósemkową dipola. Ten test sprawdza, czy jest to jednokierunkowe Czujnik hydrofonowy z rurką okrągłą ma szerokopasmowe działanie jednokierunkowe. Jako element tablicy odbiorczej ma zdolność rozróżniania prawej i prawej burty.

 

4 Wniosek

W artykule zaprojektowano jednokierunkową rurę okrągłą. Stosując zasadę syntezy kierunkowości monopolowej i dipolowej, na dipolu przeprowadza się kompensację fazy i wzmocnienie amplitudy, dzięki czemu można uzyskać jednokierunkowość w paśmie częstotliwości 4 kHz ~ 12 kHz. Wreszcie zdaje egzamin. Możliwość powstania tego rodzaju hydrofonu została zweryfikowana i ma ona pewne perspektywy praktyczne. Kolejnym krokiem jest udoskonalenie produkcji rurki dipolowej, optymalizacja czułości hydrofonu i poszerzenie pasma częstotliwości roboczej.