Forskning om den lågfrekventa böjda hydrofonen

För att ta emot lågfrekventa ljudvågor med hög känslighet studerades en dubbelsidig tre-laminerad böjhydrofon, med tillämpning av finita element-mjukvaran COMSOL på simulerings- och optimeringsdesignen av den krökta hydrofonen. Varje dels inverkan på hydrofonens mottagande känslighetsgrad analyserades för att ge det optimala schemat. Slutligen tog vi fram en hydrofonprototyp och testade den i vattnet. Den maximala storleken på hydrofonprototypen var 45 mm. Experimentresultaten visar att i mottagningsfrekvensområdet 500 Hz−2,5 kHz, var den maximala mottagningstryckkänslighetsgraden −178 dB, böljande mindre än 4 dB. Experimentresultatet är detsamma som för simulering.

 

Som en undervattens akustisk omvandlarsignalmottagningsenhet, en ljudtryckshydrofon kan användas för att fånga subtila förändringar i undervattensljudtryckssignalerna, generera en spänningsutgång proportionell mot ljudtrycket och omvandla ljudenergi till elektriska signaler som är lätta att observera. Nyckelutrustningen för normal drift av ekolodssystemet är en oumbärlig och nödvändig utrustning i den akustiska undervattensforskningen. De befintliga lågfrekventa, högkänsliga hydrofonerna har dock ofta en relativt stor storlek. Transduktorns tre-staplade skivstruktur, böjningsvibrationsläget dominerar vibrationen, har egenskaperna för låg resonansfrekvens, liten storlek, enkel struktur och så vidare. Vid tillämpningen av trestackskivan används den emellertid mer på den sändande omvandlaren eller vektorhydrofonen och mindre på den akustiska tryckhydrofonen. Nackdelen med lågfrekventa böjningshydrofoner är att arbetsfrekvensbandet är mycket smalt, men som kommersiellt tillgängliga hydrofoner är bandbredden mycket bred, men känslighetsnivån är inte hög. Om det finns ett behov av att ta emot ljudvågor endast i ett specifikt lågfrekvensband, böjs lamineringarna. Hydrofonen med den strukturerade strukturen har fördelen av hög känslighetsnivå och har sitt användningsvärde. Detta papper har för avsikt att designa en böjd hydrofon med tre lamineringar, som drar fördel av den lilla storleken och låga resonanspunkten hos trelamineringsskivan, och antar designformen att ansluta två övre och nedre trelamineringsskivor parallellt, och justerar grundfrekvensen genom storleksoptimering. Positionen för resonanspunkten används för att realisera en liten hydrofon med hög känslighetsrespons i lågfrekvensband.

 

 

1 Utformningen av den böjda hydrofonen med tre lamineringar

Böjhydrofon med tre lamineringar, mittdelen är en metallring, metallringen binder symmetriskt två trelamineringsskivor upp och ner, den piezoelektriska keramiken på trelamineringsskivorna är seriekopplade och de övre och nedre två trelamineringsskivorna är seriekopplade. Genom parallellkoppling kan denna struktur få hydrofonen att vibrera symmetriskt, och är lätt att montera och tillverka.

 

2 Finita element simulering av hydrofon

COMSOL multiphysics simulering finita element-mjukvara, med akustisk-piezoelektrisk interaktionsmodul, kan användas för att analysera multifysikproblem som vätskestrukturkoppling i planvåg eller sfäriskt vågljudfält, och kan direkt simulera arbetsscenen för hydrofongivare som tar emot ljudvågor i vatten. Och kan extrahera motsvarande spänning på den piezoelektriska keramiska ytan på hydrofonen för att beräkna mottagningskänsligheten. Den här artikeln använder programvaran COMSOL för att analysera och designa den böjda hydrofonen.

 

2.1 Finita element simuleringsmodell av hydrofon

Använd COMSOL multiphysics simuleringsprogram för att utföra finita elementanalys på den designade hydrofonen. Fastställ först den finita elementmodellen för hydrofonen och ignorera bindningsskiktet mellan den piezoelektriska keramen och metallen, bindningsskiktet mellan metallerna och polyuretangummit som är ingjutet i det yttersta lagret i modelleringen. Etablera en tredimensionell modell av hydrofonen med lim och svetsade elektrodtrådar, välj c pieeramic som PZT-5. duralumin, koppar eller stål som material för den mellersta metallskivan, och välj koppar som material för den mellersta metallringen.

 

2.2 Forskning om hydrofonens vibrationsläge

Genom att använda COMSOLs programvara för att analysera hydrofonens karakteristiska frekvens kan du intuitivt få fram den karakteristiska frekvensen och vibrationsförskjutningen för hydrofonens olika vibrationslägen. Det schematiska diagrammet inkluderar den relativa positionen för varje del av hydrofonen i varje vibrationsläge. Dessa analysresultat hjälper till att bättre förstå hydrofonens arbetsprincip. Vibrationen av första ordningens vibrationsläge för en hydrofon av en viss storlek. Detta vibrationsläge är läget när hydrofonen tar emot ljudvågor.

 

 

2.3 Strukturell optimeringsdesign av hydrofon

Använder COMSOLs programvara för att simulera och analysera hydrofonens arbetsprestanda i vattnet. Du kan direkt upprätta ett vattenområde med en radie på 0,05 m runt hydrofonen, och sedan ställa in ett plan ljudvågsbakgrundsfält med ett ljudtryck på 1 Pa i vattenområdet för att simulera Det faktiska arbetsscenariot för hydrofonen i vatten, den etablerade undervattensmodellen av hydrofonen visas i figur 4. I COMSOL-analysinställningen väljer forskningssteget hela frekvensen av det enkla harmoniska frekvenssystemet till det enkla harmoniska frekvensområdet. excitation kan analyseras och spänningen som exciteras av hydrofonen under inverkan av ljudvågor med olika frekvenser kan beräknas. Extrahera sedan spänningen på hydrofonens piezoelektriska keramiska yta och beräkna motsvarande mottagningskänslighetsnivå för hydrofonen genom en formel. Eftersom hydrofonen arbetar i ett öppet kretstillstånd, är toppen av hydrofonens mottagningskänslighet vid dess antiresonansfrekvens, och mottagningskänslighetsnivån för en undervattenshydrofon av en viss storlek simuleras.

 

Det kan ses från simuleringsresultaten att den mottagande känslighetsnivåkurvan för hydrofonen med denna struktur är relativt platt i lågfrekvensbandet. Därefter kommer vi att studera dimensionsförändringarna för varje del av hydrofonen, och effekten av antiresonansfrekvensen och den lågfrekventa mottagningskänslighetsnivån för hydrofoninflytandet. Med de geometriska parametrarna för PZT och metallskivorna i tri-stacken, och typen av metallmaterial som variabler, tas storleken och fluktuationsgraden för den designade hydrofonens ljudtryckmottagande känslighetsnivå i lågfrekvensbandet som målet, och hydrofonen utförs. Hydrofonens optimerade design strävar efter att göra den ljudtryckmottagande känslighetsnivån för hydrofonen i det låga frekvensbandet så hög som möjligt och fluktuationerna så små som möjligt. Variablerna som används i simuleringsanalysen av metoden med kontrollerad variabel är: 1) materialegenskaperna hos de tre laminerade metallskivorna; 2) förhållandet mellan PZT-radien och metallplåtsradien; 3) förhållandet mellan PZT-tjockleken och metallplåtens tjocklek; 4) tjockleken på de tre laminerade arken med lika tjocklek jämfört med radien.

 

2.3.1 Typer av PZT och typer av metallplåt

Ändra typen av metallskiva i mitten av de tre lamineringarna och erhåll antiresonansfrekvensen och mottagningskänslighetsnivåkurvan för hydrofonen i vatten genom simuleringsberäkning. Resultaten visas i tabell 1 och figur 6.

Det kan ses från tabell 1 att när Youngs modul för den valda metallen gradvis ökar, ökar antiresonansfrekvensen hos hydrofonen gradvis. Det kan ses från fig. 6 att när Youngs modul för metallplåten gradvis ökar, minskar mottagningskänslighetsnivån för hydrofonens lågfrekvensband gradvis.

 

2.3.2 Förhållande mellan PZT-radie och metallplåtsradie

Håll tjockleken på PZT och den mellanliggande plåten oförändrad och ta radien på den mellanliggande plåten som 20 mm. När endast PZT-radien ändras, visas hydrofonens antiresonansfrekvens och mottagningskänslighetsnivåkurvor i vattnet i figurerna 7 och 8.

Det kan ses av fig. 7 att när radien för PZT ökar, ökar antiresonansfrekvensen hos hydrofonen i vattnet gradvis, och när den närmar sig 20 mm ökar knappast antiresonansfrekvensen. Figur 8 visar att när PZT-radien blir större, minskar hydrofonens mottagningskänslighetsnivå i lågfrekvensbandet gradvis, men graden av minskning är inte stor och fluktuationerna är mer platta. 2.3.3 Förhållandet mellan PZT-tjocklek och metalltjocklek håller PZT och radien på den mellersta plåten oförändrade. Tjockleken på den mellersta metallplåten är 1 mm, och endast PZT-tjockleken ändras. Antiresonansfrekvensen och mottagningskänslighetsnivåkurvan för hydrofonen i vatten visas i figur 9 och 10.

 

Det kan ses från figur 9 att när tjockleken på PZT ökar, ökar antiresonansfrekvensen hos hydrofonen i vatten gradvis. När den når samma tjocklek som plåten på 1 mm når antiresonansfrekvensen max, och PZT-tjockleken fortsätter att öka. Hydrofonens antiresonansfrekvens minskar istället. Det kan ses från figur 10(a) att när tjockleken på PZT ökar från 0,2 mm till 0,5 mm, ökar känslighetsnivån för mottagning av hydrofonen i lågfrekvensbandet gradvis, och fluktuationerna blir mer platta. Men när tjockleken på PZT är 0,4 mm är situationen speciell, och mottagningskänslighetsnivån för lågfrekvensbandet minskar plötsligt; från figur 10(b) kan man se att när tjockleken på PZT ökar från 0,5 mm till 1,5 mm, minskar hydrofonens lågfrekventa mottagningskänslighet. Nivån minskar gradvis och fluktuationen är nästan oförändrad.

 

2.3.4 Förhållandet mellan tjocklek och radie för tre laminerade ark med lika tjocklek

När tjockleken på metallplåten i mellanskiktet är densamma som tjockleken på PZT, är den ekvivalenta elektromekaniska kopplingskoefficienten för treskiktsplåten störst. Därefter analyseras inverkan av förhållandet mellan tjocklek och radie hos treskiktsskivan med samma tjocklek på hydrofonens undervattensdrift. Håll tjockleken och radien för de tre laminerade metallplåtarna av samma tjocklek oförändrade, PZT-radien oförändrad, håll PZT och metalltjockleken desamma och ändra endast tjockleken på PZT (metallplåt). Som visas i figurerna 11 och 12.

 

Det kan ses från figur 11 att när tjockleken på PZT (metallplåt) ökar, ökar antiresonansfrekvensen i hydrofonens vatten gradvis. I figur 12, när tjockleken på PZT (metallplåt) gradvis ökar, minskar hydrofonens mottagningskänslighetsnivå i lågfrekvensbandet gradvis, och fluktuationerna blir gradvis mindre.

 

2.3.5 Regularitetsanalys

Responsändringslagen som erhållits i ovanstående optimeringsprocessen kan sammanfattas enligt följande: 1) När Youngs modul för den mellersta metallskivan gradvis ökar, ökar antiresonansfrekvensen för undervattenskommunikationshydrofonen blir gradvis större, och mottagningskänslighetsnivån för lågfrekvensbandet blir mindre och fluktuerar. 2) När förhållandet mellan PZT och metallplåtsradien blir större, blir hydrofonens antiresonansfrekvens i vatten större, mottagningskänslighetsnivån för lågfrekvensbandet minskar och fluktuationen blir mindre; 3) När förhållandet mellan PZT-tjockleken och metallplåtens tjocklek blir större, ökar antiresonansfrekvensen för hydrofonen i vattnet först och minskar sedan, och når toppvärdet vid ett förhållande av 1, och den lågfrekventa mottagningskänslighetsnivån ökar först och minskar sedan, och når toppen med ett förhållande på ungefär 05, frekvensen och sjunker gradvis; 4) etc. I det tjocka trippellaminatet, när förhållandet mellan tjockleken och radien av PZT (metallplåt) blir större, blir hydrofonens antiresonansfrekvens i vatten större, mottagande känslighetsnivån i lågfrekvensbandet blir mindre, och fluktuationen blir mindre. I allmänhet gäller att ju större omvandlarstorleken är, desto mindre är dess resonansfrekvens, och den grundläggande resonansfrekvensen för hydrofonen ökar med ökningen av PZT-radien eller tjockleken. Detta beror på att hydrofonen använder tre. Det böjliga vibrationsläget för det laminerade arket. Den huvudsakliga påverkande faktorn för detta vibrationsläge är triplexets styvhet. När PZT-radien eller tjockleken ökar, blir styvheten för hela triplexet större, så resonansen i triplexböjvibrationsläget. Frekvensen kommer att bli större, vilket gör hydrofonens resonansfrekvens större. Höjden på metallringen som är klämd i mitten av hydrofonen är mycket mindre än diametern på det treskiktade arket, och det deltar inte i böjningsvibrationen hos det treskiktade arket, så påverkan på hydrofonen är liten.

 

2.4 Slutresultat

Enligt ovan nämnda inflytandelag genom strukturell optimering, och med hänsyn tagen till svårigheten i själva produktionsprocessen för de olika delarna av hydrofonen, bestäms slutligen storleksparametrarna för de olika delarna av hydrofonen enligt tabell 2. Använd programvaran COMSOL för att simulera och beräkna impedanskurvan för hydrofonen i vatten. Antiresonansfrekvensen är 5,2 kHz, som visas i figur 13.

 

 

 

 

Använd programvaran COMSOL för att simulera och beräkna hydrofonens mottagningskänslighetsnivå i frekvensområdet 100 Hz till 6 kHz, som visas i figur 14.

Använda COMSOL-programvaran för att simulera och beräkna hydrofonens mottagningskänslighetsnivå i frekvensområdet 100 Hz till 6 kHz, som visas i figur 14.

I det låga frekvensbandet 100 Hz~2,5 kHz är hydrofonens mottagningskänslighetsnivå cirka −178 dB, och fluktuationen är mindre än 3 dB, som visas i figur 15. När ljudvågens våglängd är mycket större än givarens maximala linjära skala, har givaren ingen direkt givare. I hydrofonens arbetsfrekvensband är den minsta våglängden när ljudvågsfrekvensen är 2,5 kHz 0,6 m, vilket är större än hydrofonens maximala storlek med 0,045 m, det kan anses att hydrofonen inte har någon riktning vid mottagning av ljudvågor.

 

3 Tillverkning och testning av hydrofon

Enligt de slutliga strukturella parametrarna för hydrofonen optimerad av COMSOL, bearbetades de strukturella komponenterna och hydrofonprototypen gjordes, som visas i figur 16. Efter ingjutning är hydrofonens diameter 45 mm och tjockleken är 12 mm.

Prestandatestet av hydrofonen utfördes i en ekofri pool, storleken på poolen var 25 m × 16 m × 10 m, och jämförelsemetoden användes för mätning och en standardhydrofon (B&K 8105) användes för jämförelsemätning. Pulssignalöverföring antas, och avståndet mellan den sändande givaren och standardhydrofonen är 1,5 m (tillfredsställer fjärrfältsvillkoret), och den placeras längs poolens längd med ett hängdjup på 4 m. Admittanskurvan i vattnet i prototypens hydrofon mäts slutligen som visas i figur 17.

 

 

Det kan ses från figur 17 att antiresonansfrekvensen för hydrofonprototypen är 3,3 kHz. På grund av begränsningen av den nedre gränsen för ljudvågsfrekvensen att den använda sändningsgivaren endast kan sända 500 Hz ljudvåg, är den lägsta frekvensen för mätvattenmottagningskänslighetsnivåkurvan 500 Hz, som visas i figur 18.

Det kan ses från figur 18 att i frekvensbandet 500 Hz ~ 2,5 kHz är hydrofonens mottagarkänslighetsnivå som mest −178 dB och fluktuationen är mindre än 4 dB. Skillnaden mellan mätresultaten och de simulerade resultaten av hydrofonens antiresonansfrekvens beror främst på att ytan på hydrofonprototypen är ingjuten med ett lager av vattentätt polyuretangummi med en tjocklek på 2 mm, vilket kommer att öka hydrofonens ekvivalenta vibrationskvalitet. Det är svårt att simulera detta viskoelastiska material på COMSOLs simuleringsprogram. Monteringsnoggrannheten hos strukturdelarna och bindningsprocessen kommer också att ha en viss inverkan på hydrofonens prestanda. Ovanstående två faktorer orsakar skillnaden mellan uppmätta data och simuleringsvärdet för finita element. . Jämför uppmätta data för den mottagande känslighetsnivån i frekvensbandet 500 Hz~2,5 kHz med simuleringsresultaten, som visas i figur 19. I detta frekvensband är den uppmätta maximala mottagningskänslighetsnivån −178 dB, och fluktuationen är mindre än 4 dB. Uppmätta data och det simulerade värdet Trenden är densamma och de uppmätta data fluktuerar något större än det simulerade värdet.

När det gäller hydrofonens mottagningskänslighetstest i olika azimuter testades hydrofonens axiella och radiella mottagningskänslighetsnivåer. Testresultaten visas i figur 20. Mottagningskänslighetsnivån är ungefär densamma och man kan anse att hydrofonen inte har någon riktning i arbetsfrekvensbandet på 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4 Slutsats

1) Designa och producera en lågfrekvent böjningshydrofon. Mäthydrofonen har en mottagningskänslighetsnivå på −178 dB i frekvensbandet 500Hz−2,5 kHz, och fluktuationen är mindre än 4 dB. 2. Den lilla lågfrekventa böjningshydrofonen har insett egenskaperna för att ta emot ljudvågor med högre känslighet, vilket har vägledande betydelse för tillämpningen av böjskivans struktur i hydrofonen.