Дослідження низькочастотного вигнутого гідрофону

Щоб отримати звукові хвилі низької частоти з високою чутливістю, було вивчено двосторонній тришаровий згинальний гідрофон із застосуванням програмного забезпечення кінцевих елементів COMSOL для моделювання та оптимізації конструкції вигнутого гідрофону. Вплив кожної частини на ступінь приймальної чутливості гідрофону було проаналізовано для отримання оптимальної схеми. Нарешті ми виготовили прототип гідрофону та випробували його у воді. Максимальний розмір прототипу гідрофона становив 45 мм. Результати експерименту показують, що в діапазоні частот прийому 500 Гц−2,5 кГц максимальний ступінь чутливості до тиску прийому становив −178 дБ, коливання менше 4 дБ. Результат експерименту такий самий, як і при моделюванні.

 

Як Пристрій для прийому сигналу підводного акустичного перетворювача , гідрофон звукового тиску можна використовувати для захоплення тонких змін у сигналах підводного звукового тиску, генеруючи вихідну напругу, пропорційну звуковому тиску, і перетворюючи звукову енергію в електричні сигнали, які легко спостерігати. Ключове обладнання для нормальної роботи гідроакустичної системи є незамінним і необхідним обладнанням у підводних акустичних дослідженнях. Однак існуючі низькочастотні високочутливі гідрофони часто мають відносно великі розміри. Трикомпонентна дискова структура перетворювача, режим вібрації на вигин домінує вібрацію, має характеристики низької резонансної частоти, невеликого розміру, простої конструкції тощо. Однак у застосуванні трикомпонентного диска він більше використовується на передавальному перетворювачі або векторному гідрофоні, і менше на гідрофоні акустичного тиску. Недоліком низькочастотних гідрофонів є те, що робоча смуга частот дуже вузька, але, як і у комерційно доступних гідрофонів, смуга пропускання дуже широка, але рівень чутливості невисокий. Якщо є необхідність приймати звукові хвилі тільки в певному діапазоні низьких частот, пластини згинаються. Гідрофон зі структурованою структурою має перевагу високого рівня чутливості та має свою цінність. Ця стаття спрямована на розробку вигнутого гідрофону з трьома шарами, який використовує переваги невеликого розміру та низької точки резонансу диска з трьома шарами, і приймає форму конструкції паралельного з’єднання двох верхніх і нижніх дисків із трьома шарами та регулює основну частоту за допомогою оптимізації розміру. Положення резонансної точки використовується для реалізації малогабаритного гідрофону з високою чутливістю в діапазоні низьких частот.

 

 

1 Конструкція тришарового вигнутого гідрофону

Гідрофон із трьома ламінаціями, що згинаються, середня частина — металеве кільце, металеве кільце симетрично з’єднує два диски з трьома ламінаціями вгору та вниз, п’єзоелектрична кераміка дисків з трьома ламінаціями з’єднана послідовно, а два верхніх і нижніх диски з трьома ламінаціями з’єднані послідовно. Завдяки паралельному з’єднанню ця структура може змусити гідрофон симетрично вібрувати, і її легко зібрати та виготовити.

 

2 Скінченно-елементне моделювання гідрофону

Програмне забезпечення COMSOL для мультифізичного моделювання кінцевих елементів із модулем акустично-п’єзоелектричної взаємодії можна використовувати для аналізу мультифізичних проблем, таких як взаємодія рідини та структури в звуковому полі плоскої хвилі або сферичної хвилі, а також може безпосередньо симулювати робочу сцену гідрофонний перетворювач, що приймає звукові хвилі у воді. І може витягти відповідну напругу п'єзоелектричної керамічної поверхні гідрофону для розрахунку чутливості прийому. У цій статті використовується програмне забезпечення COMSOL для аналізу та проектування вигнутого гідрофону.

 

2.1 Скінченно-елементна імітаційна модель гідрофону

Використовуйте мультифізичне програмне забезпечення для моделювання COMSOL, щоб виконати кінцево-елементний аналіз на розробленому гідрофоні. По-перше, створіть кінцево-елементну модель гідрофону та проігноруйте сполучний шар між п’єзоелектричною керамікою та металом, зв’язковий шар між металами та поліуретанову гуму, розміщену в зовнішньому шарі під час моделювання. Створення тривимірної моделі гідрофону за допомогою клею та зварених електродних проводів, вибираючи PZT-5 як п’єзоелектричну кераміку матеріал, виберіть дюралюміній, мідь або сталь як матеріал для середнього металевого диска та виберіть мідь як матеріал для середнього металевого кільця.

 

2.2 Дослідження вібраційного режиму гідрофону

Використовуючи програмне забезпечення COMSOL для аналізу характеристичної частоти гідрофону, ви можете інтуїтивно отримати характеристичну частоту та зміщення вібрації для різних режимів вібрації гідрофону. Принципова діаграма включає відносне положення кожної частини гідрофону в кожному режимі вібрації. Ці результати аналізу допомагають краще зрозуміти принцип роботи гідрофону. Вібрація першого порядку коливання гідрофона певного розміру. Цей режим вібрації - це режим, коли гідрофон приймає звукові хвилі.

 

 

2.3 Конструкція оптимізації конструкції гідрофону

Використання програмного забезпечення COMSOL для моделювання та аналізу робочих характеристик гідрофону у воді. Ви можете безпосередньо встановити водну зону з радіусом 0,05 м навколо гідрофону, а потім встановити плоске фонове поле звукової хвилі зі звуковим тиском 1 Па у водній зоні для імітації. Фактичний сценарій роботи гідрофону у воді, встановлена підводна модель гідрофону показана на малюнку 4. У налаштуваннях аналізу COMSOL етап дослідження вибирає частотну область, щоб відгук усієї лінійної системи під впливом простого гармонічного збудження міг бути проаналізовано, і можна розрахувати напругу, що збуджується гідрофоном під дією звукових хвиль різної частоти. Потім витягніть напругу на п’єзоелектричній керамічній поверхні гідрофону та обчисліть відповідний рівень чутливості прийому гідрофону за допомогою формули. Оскільки гідрофон працює в розімкненому стані, пік чутливості прийому гідрофона припадає на його антирезонансну частоту, а рівень чутливості прийому імітується підводний гідрофон певного розміру.

 

З результатів моделювання видно, що крива рівня чутливості прийому гідрофона з цією структурою є відносно плоскою в діапазоні низьких частот. Далі ми вивчимо зміни розмірів кожної частини гідрофону, а також вплив антирезонансної частоти та рівня чутливості прийому низької частоти впливу гідрофону. Взявши геометричні параметри PZT і металевих дисків у трикомпонентній групі, а також тип металевих матеріалів як змінні, розмір і ступінь флуктуації рівня чутливості проектованого звукового тиску гідрофона в діапазоні низьких частот беруться за мету, і гідрофон виконується. Оптимізована конструкція гідрофону спрямована на те, щоб рівень чутливості гідрофона до отримання звукового тиску в діапазоні низьких частот був якомога вищим, а флуктуації – якомога меншими. Змінні, які використовуються в моделювальному аналізі методу контрольованих змінних, це: 1) властивості матеріалу трьох ламінованих металевих дисків; 2) відношення радіуса PZT до радіуса металевого листа; 3) відношення товщини ЦЗТ до товщини металевого листа; 4) товщина трьох ламінованих листів однакової товщини в порівнянні з радіусом.

 

2.3.1 Види ПЗТ і типи металевих листів

Змініть тип металевого диска в середині трьох шарів і отримайте антирезонансну частоту та криву рівня чутливості гідрофона у воді шляхом розрахунку моделювання. Результати наведені в таблиці 1 і на малюнку 6.

З таблиці 1 видно, що при поступовому збільшенні модуля Юнга вибраного металу антирезонансна частота гідрофона поступово зростає. З рис. 6 видно, що з поступовим збільшенням модуля Юнга металевого листа рівень чутливості прийому низькочастотної смуги гідрофона поступово знижується.

 

2.3.2 Відношення радіуса PZT до радіуса металевого листа

Залиште товщину PZT і проміжного металевого листа незмінними, а радіус проміжного металевого листа прийміть рівним 20 мм. Коли змінюється лише радіус PZT, антирезонансна частота гідрофону та криві рівня чутливості прийому у воді показані на малюнках 7 і 8.

З рис. 7 видно, що зі збільшенням радіуса ПЗТ антирезонансна частота гідрофону у воді поступово зростає, а при наближенні до 20 мм антирезонансна частота майже не зростає. На рисунку 8 показано, що зі збільшенням радіуса PZT рівень чутливості прийому гідрофону в діапазоні низьких частот поступово зменшується, але ступінь зменшення не великий, а коливання більш плоскі. 2.3.3 Співвідношення товщини PZT до товщини металу зберігає PZT і радіус середнього металевого листа незмінними. Товщина середнього металевого листа становить 1 мм, змінюється лише товщина PZT. Антирезонансна частота та крива рівня чутливості прийому гідрофону у воді показані на малюнках 9 і 10.

 

З рисунка 9 видно, що зі збільшенням товщини PZT антирезонансна частота гідрофону у воді поступово зростає. Коли він досягає тієї ж товщини, що й металевий лист, 1 мм, антирезонансна частота досягає максимуму, а товщина PZT продовжує збільшуватися. Натомість зменшується антирезонансна частота гідрофону. На малюнку 10(a) видно, що зі збільшенням товщини PZT від 0,2 мм до 0,5 мм рівень чутливості гідрофона в діапазоні низьких частот поступово зростає, а флуктуації стають більш плоскими. Однак, коли товщина PZT становить 0,4 мм, ситуація особлива, і рівень чутливості прийому в діапазоні низьких частот раптово знижується; на малюнку 10(b) видно, що коли товщина PZT збільшується від 0,5 мм до 1,5 мм, чутливість низькочастотного прийому гідрофону поступово знижується, а коливання майже не змінюються.

 

2.3.4 Відношення товщини до радіуса трьох ламінованих листів однакової товщини

Коли товщина металевого листа в середньому шарі така ж, як і товщина PZT, еквівалентний електромеханічний коефіцієнт зчеплення тришарового листа є найбільшим. Далі аналізується вплив відношення товщини до радіуса тришарового листа однакової товщини на підводну роботу гідрофону. Залиште товщину та радіус трьох ламінованих металевих листів однакової товщини незмінними, радіус PZT незмінним, збережіть PZT та товщину металу однаковими та змініть лише товщину PZT (металевий лист). Як показано на малюнках 11 і 12.

 

На малюнку 11 видно, що зі збільшенням товщини PZT (металевий лист) антирезонансна частота у воді гідрофону поступово зростає. На малюнку 12 показано, як товщина PZT (металевий лист) поступово збільшується, рівень приймальної чутливості гідрофону в діапазоні низьких частот поступово зменшується, а флуктуації поступово стають меншими.

 

2.3.5 Аналіз регулярності

Закон зміни відгуку, отриманий у наведеному вище процесі оптимізації, можна підсумувати таким чином: 1) Оскільки модуль Юнга середнього металевого диска поступово збільшується, антирезонансна частота гідрофон підводного зв'язку поступово стає більшим, а рівень чутливості прийому в діапазоні низьких частот стає меншим і коливається. 2) Оскільки відношення PZT до радіуса металевого листа стає більшим, антирезонансна частота гідрофону у воді стає більшою, рівень чутливості прийому в діапазоні низьких частот зменшується, а флуктуація стає меншою; 3) Коли відношення товщини PZT до товщини металевого листа стає більшим, антирезонансна частота гідрофону у воді спочатку збільшується, а потім зменшується, досягаючи пікового значення при співвідношенні 1, а рівень чутливості низькочастотного прийому спочатку збільшується, а потім зменшується, досягаючи піку при співвідношенні приблизно 0,5, і низькочастотні коливання поступово зменшення; 4) і т. д. У товстому потрійному ламінаті, оскільки відношення товщини до радіуса PZT (металевий лист) стає більшим, антирезонансна частота гідрофону у воді стає більшою, рівень чутливості прийому в діапазоні низьких частот стає меншим, і флуктуація стає меншою. Загалом, чим більший розмір перетворювача, тим менша його резонансна частота, а основна резонансна частота гідрофону зростає зі збільшенням радіуса або товщини PZT. Це пояснюється тим, що гідрофон використовує три режими вібрації при згині ламінованого листа. Основним фактором, що впливає на цей режим вібрації, є жорсткість триплексу. Коли радіус або товщина PZT збільшується, жорсткість всього триплексу стає більшою, тому резонанс режиму вібрації триплексу при згині буде зростати, що збільшуватиме резонансну частоту гідрофону. Висота металевого кільця, затиснутого в середині гідрофону, набагато менша за діаметр тришарового листа, і воно не бере участі в вібрації тришарового листа, тому вплив на гідрофон невеликий.

 

2.4 Кінцевий результат

Відповідно до вищезгаданого закону впливу через структурну оптимізацію та з урахуванням складності фактичного процесу виробництва різних частин гідрофону остаточно визначаються параметри розміру різних частин гідрофону, як показано в таблиці 2. Використовуйте програмне забезпечення COMSOL для моделювання та розрахунку кривої імпедансу гідрофону у воді. Антирезонансна частота становить 5,2 кГц, як показано на малюнку 13.

 

 

 

 

Використовуйте програмне забезпечення COMSOL для моделювання та розрахунку рівня чутливості прийому гідрофону в діапазоні частот від 100 Гц до 6 кГц, як показано на малюнку 14.

Використовуючи програмне забезпечення COMSOL для моделювання та розрахунку рівня чутливості прийому гідрофону в діапазоні частот від 100 Гц до 6 кГц, як показано на малюнку 14.

У смузі низьких частот 100 Гц ~ 2,5 кГц рівень чутливості гідрофона становить близько −178 дБ, а флуктуація становить менше 3 дБ, як показано на малюнку 15. Коли довжина хвилі звукової хвилі набагато більша за максимальний лінійний масштаб перетворювача, перетворювач не має спрямованості. У робочому діапазоні частот гідрофону мінімальна довжина хвилі при частоті звукової хвилі 2,5 кГц становить 0,6 м, що більше максимального розміру гідрофону на 0,045 м, можна вважати, що гідрофон не має спрямованості при прийомі звукових хвиль.

 

3 Виготовлення та випробування гідрофону

Згідно з остаточними структурними параметрами гідрофону, оптимізованими COMSOL, структурні компоненти були оброблені та виготовлено прототип гідрофону, як показано на малюнку 16. Після заливки діаметр гідрофону становить 45 мм, а товщина – 12 мм.

Тест продуктивності гідрофону проводився в безеховому басейні, розмір басейну становив 25 м × 16 м × 10 м, і для вимірювання використовувався метод порівняння, а для порівняльного вимірювання використовувався стандартний гідрофон (B&K 8105). Передача імпульсного сигналу прийнята, а відстань між передавальним перетворювачем і стандартним гідрофоном становить 1,5 м (задовольняє умову далекого поля), і він розміщений по довжині басейну з глибиною висіння 4 м. Крива пропускної здатності у воді прототипу гідрофону остаточно вимірюється, як показано на малюнку 17.

 

 

З рисунка 17 видно, що антирезонансна частота прототипу гідрофону становить 3,3 кГц. Через обмеження нижньої межі частоти звукової хвилі, що використовуваний передавальний перетворювач може передавати лише звукову хвилю 500 Гц, найнижча частота кривої рівня чутливості вимірювальної води дорівнює 500 Гц, як показано на малюнку 18.

На малюнку 18 видно, що в діапазоні частот 500 Гц ~ 2,5 кГц рівень чутливості приймача гідрофону становить не більше −178 дБ, а флуктуація становить менше 4 дБ. Різниця між результатами вимірювання та моделювання антирезонансної частоти гідрофону в основному пов’язана з тим, що поверхня прототипу гідрофону покрита шаром водонепроникної поліуретанової гуми товщиною 2 мм, що підвищить еквівалентну якість вібрації гідрофону. Важко змоделювати цей в’язкопружний матеріал за допомогою програмного забезпечення для моделювання COMSOL. Точність складання деталей конструкції і процес склеювання також матимуть певний вплив на роботу гідрофону. Вищезазначені два фактори спричиняють різницю між виміряними даними та значенням моделювання кінцевих елементів. . Порівняйте дані вимірювання рівня чутливості прийому в діапазоні частот 500 Гц ~ 2,5 кГц з результатами моделювання, як показано на малюнку 19. У цьому діапазоні частот виміряний максимальний рівень чутливості прийому становить –178 дБ, а коливання менше 4 дБ. Виміряні дані та змодельоване значення Тенденція однакова, і виміряні дані коливаються трохи більше, ніж змодельоване значення.

Що стосується випробування чутливості прийому гідрофону в різних азимутах, були перевірені аксіальний і радіальний рівні чутливості гідрофона відповідно. Результати тесту показані на малюнку 20. Рівень чутливості прийому приблизно однаковий, і можна вважати, що гідрофон не має спрямованості в робочій смузі частот 500 Гц ~ 2,5 кГц.

4 Висновок

1) Розробка та виготовлення низькочастотного поворотного гідрофону. Вимірювальний гідрофон має рівень чутливості прийому −178 дБ у смузі частот 500 Гц − 2,5 кГц, а флуктуація становить менше 4 дБ. 2. Невеликий низькочастотний згинальний гідрофон реалізував характеристики прийому звукових хвиль з більш високою чутливістю, що має керівне значення для застосування конструкції згинального диска в гідрофоні.