Cercetări privind hidrofonul curbat de joasă frecvență

Pentru a recepționa unde sonore de joasă frecvență cu sensibilitate ridicată, s-a studiat un hidrofon flexural cu trei laminari cu două fețe, aplicând software-ul cu elemente finite COMSOL la proiectarea de simulare și optimizare a hidrofonului curbat. Influența fiecărei părți asupra gradului de sensibilitate de recepție a hidrofonului a fost analizată pentru a oferi schema optimă. În cele din urmă, am produs un prototip de hidrofon și l-am testat în apă. Dimensiunea maximă a prototipului de hidrofon a fost de 45 mm. Rezultatele experimentului arată că în intervalul de frecvență de recepție 500 Hz−2,5 kHz, gradul maxim de sensibilitate la presiunea de recepție a fost de -178 dB, onduland mai puțin de 4 dB. Rezultatul experimentului este același cu cel al simulării.

 

Ca un Dispozitiv de recepție a semnalului traductorului acustic subacvatic , un hidrofon de presiune acustică poate fi utilizat pentru a capta modificări subtile ale semnalelor de presiune acustică subacvatică, generând o ieșire de tensiune proporțională cu presiunea acustică și pentru a converti energia sonoră în semnale electrice ușor de observat. Echipamentul cheie pentru funcționarea normală a sistemului sonar este un echipament indispensabil și necesar în cercetarea acustică subacvatică. Cu toate acestea, hidrofoanele existente cu frecvență joasă și sensibilitate ridicată au adesea o dimensiune relativ mare. Structura cu trei discuri stivuite a traductorului, modul de vibrație de îndoire domină vibrația, are caracteristicile frecvenței de rezonanță scăzută, dimensiuni mici, structură simplă și așa mai departe. Cu toate acestea, în aplicarea discului cu trei stive, acesta este mai folosit pe traductorul de transmisie sau hidrofonul vector și mai puțin pe hidrofonul de presiune acustică. Dezavantajul hidrofoanelor de îndoire cu frecvență joasă este că banda de frecvență de lucru este foarte îngustă, dar ca și hidrofoanele disponibile comercial, lățimea de bandă este foarte largă, dar nivelul de sensibilitate nu este ridicat. Dacă este nevoie de a recepționa unde sonore numai într-o bandă specifică de joasă frecvență, laminările sunt îndoite. Hidrofonul cu structură structurată are avantajul nivelului de sensibilitate ridicat și are valoare de utilizare. Această lucrare intenționează să proiecteze un hidrofon curbat cu trei laminari, care profită de dimensiunea mică și punctul de rezonanță scăzut al discului cu trei laminari și adoptă forma de proiectare de conectare a două discuri superioare și inferioare cu trei laminare în paralel și ajustează frecvența fundamentală prin optimizarea dimensiunii. Poziția punctului de rezonanță este utilizată pentru a realiza un hidrofon de dimensiuni mici cu răspuns de sensibilitate ridicată în banda de frecvență joasă.

 

 

1 Designul hidrofonului curbat cu trei laminate

Hidrofonul de îndoire cu trei laminare, partea din mijloc este un inel metalic, inelul metalic leagă simetric două discuri cu trei laminare în sus și în jos, ceramica piezoelectrică a discurilor cu trei laminare este conectată în serie, iar cele două discuri cu trei laminare superioare și inferioare sunt conectate în serie. Prin conexiune paralelă, această structură poate face ca hidrofonul să vibreze simetric și este ușor de asamblat și fabricat.

 

2 Simularea cu elemente finite a hidrofonului

Software-ul cu elemente finite de simulare multifizică COMSOL, cu modul de interacțiune acustic-piezoelectric, poate fi utilizat pentru a analiza probleme multi-fizice, cum ar fi cuplarea fluidului-structură în câmpul sonor de unde plane sau unde sferice și poate simula direct scena de lucru a traductor hidrofon care primește unde sonore în apă. Și poate extrage tensiunea corespunzătoare a suprafeței ceramice piezoelectrice a hidrofonului pentru a calcula sensibilitatea de recepție. Acest articol folosește software-ul COMSOL pentru a analiza și proiecta hidrofonul curbat.

 

2.1 Modelul de simulare cu elemente finite al hidrofonului

Utilizați software-ul de simulare multifizică COMSOL pentru a efectua analize cu elemente finite pe hidrofonul proiectat. În primul rând, stabiliți modelul cu elemente finite al hidrofonului și ignorați stratul de legătură dintre ceramica piezoelectrică și metal, stratul de legătură dintre metale și cauciucul poliuretanic în ghivece în stratul exterior din modelare. Stabilirea unui model tridimensional al hidrofonului cu lipici și fire de electrozi sudate, alegând oțel, cupru sau material piezoelectric pentru durată. disc metalic din mijloc și alegeți cuprul ca material pentru inelul metalic din mijloc.

 

2.2 Cercetări privind modul de vibrație al hidrofonului

Folosind software-ul COMSOL pentru a analiza frecvența caracteristică a hidrofonului, puteți obține în mod intuitiv frecvența caracteristică și deplasarea vibrațiilor diferitelor moduri de vibrație ale hidrofonului. Diagrama schematică include poziția relativă a fiecărei părți a hidrofonului în fiecare mod de vibrație. Aceste rezultate ale analizei ajută la o mai bună înțelegere a principiului de funcționare al hidrofonului. Vibrația modului de vibrație de ordinul întâi al unui hidrofon de o anumită dimensiune. Acest mod de vibrație este modul în care hidrofonul primește unde sonore.

 

 

2.3 Proiectarea de optimizare structurală a hidrofonului

Utilizarea software-ului COMSOL pentru a simula și analiza performanța de lucru a hidrofonului în apă. Puteți stabili direct o zonă de apă cu o rază de 0,05 m în jurul hidrofonului, apoi puteți seta un câmp de fond plan de undă sonoră cu o presiune sonoră de 1 Pa în zona apei pentru a simula Scenariul real de funcționare al hidrofonului în apă, modelul subacvatic stabilit al hidrofonului este prezentat în Figura 4. În setarea de analiză COMSOL, etapa de cercetare selectează domeniul de frecvență al întregului sistem armonic, astfel încât răspunsul liniar al întregului sistem armonic poate fi simplu la excitație. analizat, iar tensiunea excitată de hidrofon sub acțiunea undelor sonore de diferite frecvențe poate fi calculată. Apoi extrageți tensiunea de pe suprafața ceramică piezoelectrică a hidrofonului și calculați nivelul corespunzător de sensibilitate de recepție al hidrofonului printr-o formulă. Deoarece hidrofonul funcționează într-o stare de circuit deschis, vârful sensibilității de recepție a hidrofonului este la frecvența sa anti-rezonanță și nivelul de sensibilitate de recepție al unui este simulat hidrofon subacvatic de o anumită dimensiune.

 

Din rezultatele simulării se poate observa că curba nivelului de sensibilitate de recepție a hidrofonului cu această structură este relativ plată în banda de joasă frecvență. În continuare, vom studia modificările dimensionale ale fiecărei părți a hidrofonului și efectul frecvenței anti-rezonanță și al nivelului de sensibilitate de recepție de frecvență joasă a Influenței hidrofonului. Luând ca variabile parametrii geometrici ai PZT și discurile metalice din tri-stiva și tipul de materiale metalice, dimensiunea și gradul de fluctuație a nivelului de sensibilitate de recepție a presiunii sonore a hidrofonului proiectat în banda de frecvență joasă sunt luate ca obiectiv, iar hidrofonul este realizat. Designul optimizat al hidrofonului se străduiește să facă nivelul de sensibilitate la recepția presiunii sonore a hidrofonului în banda de frecvență joasă cât mai mare posibil și fluctuațiile cât mai mici posibil. Variabilele utilizate în analiza de simulare a metodei variabilei controlate sunt: ​​1) proprietățile materialului celor trei discuri metalice laminate; 2) raportul dintre raza PZT și raza tablei; 3) raportul dintre grosimea PZT și grosimea tablei de metal; 4) grosimea celor trei foi laminate de grosime egală comparativ cu raza.

 

2.3.1 Tipuri de PZT și tipuri de table metalice

Schimbați tipul de disc metalic în mijlocul celor trei laminări și obțineți frecvența anti-rezonanță și curba nivelului de sensibilitate de recepție a hidrofonului în apă prin calcul de simulare. Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 1 și Figura 6.

Se poate observa din tabelul 1 că pe măsură ce modulul Young al metalului selectat crește treptat, frecvența anti-rezonantă a hidrofonului crește treptat. Se poate observa din Fig. 6 că pe măsură ce modulul Young al foii de metal crește treptat, nivelul de sensibilitate de recepție a benzii de joasă frecvență a hidrofonului scade treptat.

 

2.3.2 Raportul dintre raza PZT și raza tablei

Păstrați grosimea PZT și a tablei intermediare neschimbate, iar raza tablei intermediare este de 20 mm. Când se modifică numai raza PZT, frecvența anti-rezonanță a hidrofonului și curbele de nivel de sensibilitate de recepție în apă sunt prezentate în figurile 7 și 8.

Se poate observa din Fig. 7 că pe măsură ce raza PZT crește, frecvența antirezonantă a hidrofonului în apă crește treptat, iar când se apropie de 20 mm, frecvența antirezonantă crește cu greu. Figura 8 arată că, pe măsură ce raza PZT devine mai mare, nivelul de sensibilitate de recepție al hidrofonului în banda de frecvență joasă scade treptat, dar gradul de scădere nu este mare, iar fluctuațiile sunt mai plate. 2.3.3 Raportul dintre grosimea PZT și grosimea metalului păstrează PZT și raza tablei din mijloc neschimbate. Grosimea tablei din mijloc este de 1 mm, iar grosimea PZT este modificată. Frecvența anti-rezonanță și curba nivelului de sensibilitate de recepție a hidrofonului în apă sunt prezentate în Figura 9 și 10.

 

Din figura 9 se poate observa că pe măsură ce grosimea PZT crește, frecvența antirezonantă a hidrofonului în apă crește treptat. Când atinge aceeași grosime ca și tabla de 1 mm, frecvența antirezonantă atinge maximul, iar grosimea PZT continuă să crească. În schimb, frecvența antirezonantă a hidrofonului scade. Se poate observa din Figura 10(a) că, pe măsură ce grosimea PZT crește de la 0,2 mm la 0,5 mm, nivelul de sensibilitate de recepție al hidrofonului în banda de frecvență joasă crește treptat, iar fluctuațiile devin mai plate. Cu toate acestea, atunci când grosimea PZT este de 0,4 mm, situația este specială, iar nivelul de sensibilitate de recepție al benzii de joasă frecvență scade brusc; din Figura 10(b), se poate observa că atunci când grosimea PZT crește de la 0,5 mm la 1,5 mm, sensibilitatea de recepție a frecvenței joase a hidrofonului Nivelul scade treptat, iar fluctuația este aproape neschimbată.

 

2.3.4 Raportul dintre grosime și raza a trei foi laminate de grosime egală

Când grosimea foii de metal din stratul mijlociu este aceeași cu grosimea PZT, coeficientul de cuplare electromecanic echivalent al foii cu trei straturi este cel mai mare. În continuare, este analizată influența raportului dintre grosime și rază a foii cu trei straturi de grosime egală asupra funcționării subacvatice a hidrofonului. Păstrați grosimea și raza celor trei foi de metal laminate de grosime egală neschimbată, raza PZT neschimbată, păstrați PZT și grosimea metalului la fel și modificați doar grosimea PZT (tabla de metal). După cum se arată în figurile 11 și 12.

 

Se poate observa din Figura 11 că, pe măsură ce grosimea PZT (foie de metal) crește, frecvența antirezonantă în apa hidrofonului crește treptat. În Figura 12, pe măsură ce grosimea PZT (foie de metal) crește treptat, nivelul de sensibilitate de recepție al hidrofonului în banda de frecvență joasă scade treptat, iar fluctuațiile devin treptat mai mici.

 

2.3.5 Analiza regularității

Legea schimbării răspunsului obținută în procesul de optimizare de mai sus poate fi rezumată după cum urmează: 1) Pe măsură ce modulul Young al discului metalic mijlociu crește treptat, frecvența antirezonantă a Hidrofonul de comunicații subacvatice devine treptat mai mare, iar nivelul de sensibilitate de recepție al benzii de frecvență joasă devine mai mic și fluctuează. 2) Pe măsură ce raportul dintre PZT și raza tablei devine mai mare, frecvența antirezonantă a hidrofonului în apă devine mai mare, nivelul de sensibilitate de recepție al benzii de joasă frecvență scade și fluctuația devine mai mică; 3) Pe măsură ce raportul dintre grosimea PZT și grosimea tablei devine mai mare, frecvența antirezonantă a hidrofonului în apă crește mai întâi și apoi scade, atingând valoarea de vârf într-un raport de 1, iar nivelul de sensibilitate la recepția de frecvență joasă crește mai întâi și apoi scade, atingând vârful într-un raport de aproximativ 0,5, frecvența scăzută și scăderea treptată; 4) etc. În laminatul triplu gros, pe măsură ce raportul dintre grosime și raza PZT (foie de metal) devine mai mare, frecvența antirezonantă a hidrofonului în apă devine mai mare, nivelul de sensibilitate de recepție în banda de joasă frecvență devine mai mic, iar fluctuația devine mai mică. În general, cu cât dimensiunea traductorului este mai mare, cu atât frecvența de rezonanță a acestuia este mai mică, iar frecvența de rezonanță fundamentală a hidrofonului crește odată cu creșterea razei sau grosimii PZT. Acest lucru se datorează faptului că hidrofonul folosește trei Modul de vibrație la încovoiere a foii laminate. Principalul factor de influență al acestui mod de vibrație este rigiditatea triplexului. Atunci când raza sau grosimea PZT crește, rigiditatea întregului triplex devine mai mare, astfel încât rezonanța modului de vibrație de încovoiere triplex Frecvența va deveni mai mare, făcând frecvența de rezonanță a hidrofonului mai mare. Înălțimea inelului metalic prins în mijlocul hidrofonului este mult mai mică decât diametrul foii cu trei straturi și nu participă la vibrația de îndoire a foii cu trei straturi, astfel încât impactul asupra hidrofonului este mic.

 

2.4 Rezultatul final

Conform legii de influență menționată mai sus prin optimizarea structurală și ținând cont de dificultatea procesului de producție propriu-zis a diferitelor părți ale hidrofonului, parametrii de dimensiune a diferitelor părți ale hidrofonului sunt în cele din urmă determinați așa cum se arată în Tabelul 2. Utilizați software-ul COMSOL pentru a simula și calcula curba de impedanță a hidrofonului în apă. Frecvența antirezonantă este de 5,2 kHz, așa cum se arată în Figura 13.

 

 

 

 

Utilizați software-ul COMSOL pentru a simula și calcula nivelul de sensibilitate de recepție al hidrofonului în intervalul de frecvență de la 100 Hz la 6 kHz, așa cum se arată în Figura 14.

Folosind software-ul COMSOL pentru a simula și calcula nivelul de sensibilitate de recepție al hidrofonului în intervalul de frecvență de la 100 Hz la 6 kHz, așa cum se arată în Figura 14.

În banda de frecvență joasă 100 Hz~2,5 kHz, nivelul de sensibilitate de recepție al hidrofonului este de aproximativ -178 dB, iar fluctuația este mai mică de 3 dB, așa cum se arată în Figura 15. Când lungimea de undă a undei sonore este mult mai mare decât scara liniară maximă a traductorului, traductorul nu are directivitate. În banda de frecvență de lucru a hidrofonului, lungimea de undă minimă când frecvența undelor sonore este de 2,5 kHz este de 0,6 m, ceea ce este mai mare decât dimensiunea maximă a hidrofonului cu 0,045 m, se poate considera că hidrofonul nu are directivitate la recepția undelor sonore.

 

3 Producția și testarea hidrofonului

Conform parametrilor structurali finali ai hidrofonului optimizați de COMSOL, componentele structurale au fost prelucrate și s-a realizat prototipul de hidrofon, așa cum se arată în Figura 16. După ghiveci, diametrul hidrofonului este de 45 mm și grosimea de 12 mm.

Testul de performanță al hidrofonului a fost efectuat într-un bazin anechoic, dimensiunea piscinei a fost de 25 m × 16 m × 10 m, iar metoda de comparație a fost utilizată pentru măsurare, iar pentru măsurarea comparativă a fost folosit un hidrofon standard (B&K 8105). Se adoptă transmisia semnalului de impuls, iar distanța dintre traductorul de transmisie și hidrofonul standard este de 1,5 m (satisfăcând condiția de câmp îndepărtat) și este plasat pe lungimea piscinei cu o adâncime de suspendare de 4 m. Curba de admitere în apa a prototipului de hidrofon este în cele din urmă măsurată așa cum se arată în Figura 17.

 

 

Din figura 17 se poate observa că frecvența antirezonantă a prototipului hidrofonului este de 3,3 kHz. Datorită limitării limitei inferioare a frecvenței undelor sonore pe care traductorul de transmisie utilizat poate transmite doar undă sonoră de 500 Hz, frecvența cea mai joasă a curbei de nivel de sensibilitate a recepției apei de măsurare este de 500 Hz, așa cum se arată în Figura 18.

Din figura 18 se poate observa că în banda de frecvență de 500 Hz ~ 2,5 kHz, nivelul de sensibilitate al receptorului hidrofonului este de cel mult -178 dB, iar fluctuația este mai mică de 4 dB. Diferența dintre rezultatele de măsurare și cele simulate ale frecvenței anti-rezonante a hidrofonului se datorează în principal faptului că suprafața prototipului hidrofonului este acoperită cu un strat de cauciuc poliuretanic etanș la apă cu o grosime de 2 mm, ceea ce va crește calitatea echivalentă a vibrațiilor hidrofonului. Este dificil de simulat acest material vâscoelastic pe software-ul de simulare COMSOL. Precizia de asamblare a pieselor structurale și procesul de lipire vor avea, de asemenea, un anumit impact asupra performanței hidrofonului. Cei doi factori de mai sus cauzează diferența dintre datele măsurate și valoarea de simulare a elementului finit. . Comparați datele măsurate ale nivelului de sensibilitate de recepție în banda de frecvență de 500 Hz~2,5 kHz cu rezultatele simulării, așa cum se arată în Figura 19. În această bandă de frecvență, nivelul maxim de sensibilitate de recepție măsurat este -178 dB, iar fluctuația este mai mică de 4 dB. Datele măsurate și valoarea simulată Tendința este aceeași, iar datele măsurate fluctuează puțin mai mult decât valoarea simulată.

În ceea ce privește testarea sensibilității de recepție a hidrofonului în diferite azimuturi, au fost testate nivelurile de sensibilitate de recepție axială și radială a hidrofonului. Rezultatele testului sunt prezentate în Figura 20. Nivelul de sensibilitate la recepție este aproximativ același și se poate considera că hidrofonul nu are directivitate în banda de frecvență de lucru de 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Concluzie

1) Proiectarea și producerea unui hidrofon de îndoire de joasă frecvență. Hidrofonul de măsurare are un nivel de sensibilitate de recepție de −178 dB în banda de frecvență 500Hz−2,5 kHz, iar fluctuația este mai mică de 4 dB. 2.Hidrofonul de îndoire cu frecvență joasă de dimensiuni mici și-a dat seama de caracteristicile de recepție a undelor sonore cu o sensibilitate mai mare, ceea ce are o semnificație de ghidare pentru aplicarea structurii discului de îndoire în hidrofon.