Исследования по низкочастотному изогнутому гидрофону

Чтобы получить низкочастотные звуковые волны с высокой чувствительностью, был изучен двусторонний гидрофон из трехсторонних слоев, применяя программное обеспечение конечного элемента к конструкции моделирования и оптимизации изогнутого гидрофона. Влияние каждой части на получение чувствительности гидрофона было проанализировано, чтобы обеспечить оптимальную схему. Наконец, мы произвели гидрофона прототипа и протестировали его в воде. Максимальный размер гидрофона прототипа составлял 45 мм. Результаты эксперимента показывают, что в диапазоне частот приемной частоты 500 Гц -2,5 кГц максимальная степень чувствительности приема давления составляла -178 дБ, волнуясь менее 4 дБ. Результат эксперимента такой же, как и у моделирования.

Какподводной акустический датчикУстройство по получению сигнала, гидрофон звукового давления может использоваться для сбора тонких изменений в подводных сигналах звукового давления, создавая выход напряжения, пропорциональный звуковому давлению, и преобразовать звуковую энергию в электрические сигналы, которые легко наблюдать, ключевое оборудование для оборудования для Нормальная эксплуатация системы сонар является незаменимым и необходимым оборудованием в подводном акустическом исследовании. Тем не менее, существующие низкочастотные гидрофоны с высокой чувствительностью часто имеют относительно большой размер. Трехэтажная структура диска преобразователя, режим вибрации изгиба, доминирует в вибрации, имеет характеристики низкой резонансной частоты, небольшого размера, простой структуры и так далее. Однако при применении трехстороннего диска он больше используется при передаче датчика или гидрофона вектора и меньше на гидрофоне акустического давления. Недостаток низкочастотных гидрофонов изгиба состоит в том, что рабочая полоса частот очень узкая, но, как и коммерчески доступные гидрофоны, пропускная способность очень широкая, но уровень чувствительности не высок. Если есть необходимость получать звуковые волны только в определенной низкочастотной полосе, лампации сгибаются, гидрофон со структурированной структурой имеет преимущество высокого уровня чувствительности и имеет свое значение использования. Эта статья намеревается разработать изогнутый гидрофон с тремя ламинами, который использует преимущества небольшого размера и низкой резонансной точки диска с тремя ламинами и принимает конструктивную форму соединения двух верхних и нижних дисков с тремя ламинами параллельно и корректирует Фундаментальная частота посредством оптимизации размера. Положение резонансной точки используется для реализации гидрофона небольшого размера с высокой чувствительностью отклика в низкочастотной полосе.

1 Конструкция изогнутого гидрофона с тремя ламинами

Гидрофон изгиба с тремя ламинами, средняя часть представляет собой металлическое кольцо, металлическое кольцо симметрично связывает два трех ламинационных диска вверх и вниз, пьезоэлектрическая керамика трех ламинационных дисков соединены последовательно, а верхние и нижние два трех-трех Распространенные диски связаны последовательно. Благодаря параллельному соединению эта структура может заставить гидрофон вибрировать симметрично и легко собирать и изготовить.

2 моделирование конечного элемента гидрофона

Comsol Multiphysics Simulation Somatching Lecient Element Software с модулем акустического пизоэлектрического взаимодействия может использоваться для анализа проблем с мультифизикой, такими как сочетание жидкой структуры в плоской волне или сферическое волновое поле, и может напрямую имитировать рабочую сценугидрофон датчикПолучение звуковых волн в воде. И может извлечь соответствующее напряжение пьезоэлектрической керамической поверхности гидрофона для расчета чувствительности приема. В этой статье используется программное обеспечение Comsol для анализа и разработки изогнутого гидрофона.

2.1 Модель моделирования конечных элементов гидрофона

Используйте программное обеспечение для моделирования Comsol Multiphysics для выполнения анализа конечных элементов на разработанном гидрофоне. Во-первых, установите модель конечных элементов гидрофона и игнорируйте связующий слой между пьезоэлектрической керамикой и металлом, слоем связывания между металлами и полиуретановым резиновым горшками в самом внешнем слое в модели. Из гидрофона с клеем и сварными электродными проводами, выбирая PZT-5 в качестве пьезоэлектрического керамического материала, выберите дуралюмин, медь или сталь в качестве материала для среднего металлического диска и выберите медь в качестве материала для среднего металлического кольца.

2.2 Исследование режима вибрации гидрофона

Используя программное обеспечение COMSOL для анализа характерной частоты гидрофона, вы можете интуитивно получить характерную частоту и смещение вибрации различных мод вибрации гидрофона. Схематическая диаграмма включает в себя относительное положение каждой части гидрофона в каждом режиме вибрации. Эти результаты анализа помогают лучше понять принцип работы гидрофона. Вибрация режима вибрации первого порядка гидрофона определенного размера. Этот режим вибрации является режимом, когда гидрофон получает звуковые волны.

2.3 Конструкция конструктивной оптимизации гидрофона

Использование программного обеспечения COMSOL для моделирования и анализа рабочих характеристик гидрофона в воде. Вы можете напрямую установить область воды с радиусом 0,05 м вокруг гидрофона, а затем установить полевое поле звукового волны плоского звукового фона со звуковым давлением 1 PA в области воды, чтобы имитировать фактический сценарий гидрофона в воде, в Установленная подводная модель гидрофона показана на рисунке 4. В настройке анализа COMSOL этап исследования выбирает частотную область, так что реакция всей линейной системы при подверженности простому гармоническому возбуждению может быть проанализировано и напряжение возбуждено Можно рассчитать гидрофон под действием звуковых волн разных частот. Затем извлеките напряжение на пьезоэлектрическую керамическую поверхность гидрофона и рассчитайте соответствующий уровень чувствительности гидрофона через формулу. Поскольку гидрофон работает в состоянии открытого круга, пик чувствительности получения гидрофона находится на частоте анти-резонанса, и уровень чувствительностиподводной гидрофонопределенного размера моделируется.

Из результатов моделирования можно увидеть, что кривая уровня чувствительности получения гидрофона с этой структурой является относительно плоской в ​​низкочастотной полосе. Далее мы изучим размерные изменения каждой части гидрофона и влияние частоты анти-резонанса и низкочастотный уровень чувствительности влияния гидрофона. Принятие геометрических параметров PZT и металлических дисков в триатралете и тип металлических материалов в качестве переменных, размер и степень колебаний чувствительности к получению звукового давления гидрофона в низкочастотной полосе принимаются в качестве цели. и гидрофон выполняется. Оптимизированная конструкция гидрофона стремится сделать уровень чувствительности чувствительности к звуковому давлению гидрофона в низкочастотной полосе максимально высоким, а колебания максимально небольшие. Переменными, используемыми в анализе моделирования контролируемого метода переменной, являются: 1) свойства материала трех ламинированных металлических дисков; 2) соотношение радиуса PZT к радиусу металлического листа; 3) соотношение толщины PZT к толщине металлического листа; 4) Толщина трех ламинированных листов одинаковой толщины по сравнению с радиусом.

2.3.1 Типы PZT и типы металлических листов

Измените тип металлического диска в середине трех ламинаций и получите кривую анти-резонансную частоту и уровня чувствительности гидрофона в воде путем моделирования расчета. Результаты показаны в таблице 1 и на рисунке 6.

Из таблицы 1 видно, что по мере того, как модуль молодого выбранного металла постепенно увеличивается, антирезонансная частота гидрофона постепенно увеличивается. Из рис. 6 видно, что по мере того, как молодой модуль металлического листа постепенно увеличивается, уровень чувствительности получения низкочастотной полосы гидрофона постепенно уменьшается.

2.3.2 Соотношение радиуса PZT к металлическому радиусу листа

Держите толщину PZT и промежуточного металлического листа неизменной и возьмите радиус промежуточного металлического листа как 20 мм. Когда изменяется только радиус PZT, частота анти-резонанса гидрофон и кривые уровня чувствительности в воде показаны на рисунках 7 и 8.

Из рис. 7 видно, что по мере увеличения радиуса PZT антирезонансная частота гидрофона в воде постепенно увеличивается, и когда она приближается к 20 мм, антирезонансная частота почти не увеличивается. На рисунке 8 показано, что по мере того, как радиус PZT становится больше, уровень чувствительности получения гидрофона в низкочастотной полосе постепенно уменьшается, но степень уменьшения не является большой, а колебания более плоские. 2.3.3 Соотношение толщины PZT к толщине металла сохраняет PZT и радиус среднего металлического листа неизменным. Толщина листа среднего металла составляет 1 мм, и только толщина PZT меняется. Частота анти-резонанса и кривая уровня чувствительности гидрофона в воде показана на рисунке 9 и 10.

Из рисунка 9 видно, что по мере увеличения толщины PZT антирезонансная частота гидрофона в воде постепенно увеличивается. Когда он достигает той же толщины, что и металлический лист 1 мм, антирезонансная частота достигает максимума, а толщина PZT продолжает увеличиваться. Вместо этого антирезонансная частота гидрофона уменьшается. Из рисунка 10 (а) видно, что по мере того, как толщина PZT увеличивается от 0,2 мм до 0,5 мм, уровень чувствительности получения гидрофона в низкочастотной полосе постепенно увеличивается, а колебания становятся более плоскими. Однако, когда толщина PZT составляет 0,4 мм, ситуация является особенной, а уровень чувствительности чувствительности низкочастотной полосы внезапно уменьшается; Из рисунка 10 (b) видно, что, когда толщина PzT увеличивается от 0,5 мм до 1,5 мм, низкочастотная чувствительность гидрофона постепенно уменьшается, а колебания практически не изменились.

2.3.4 Соотношение толщины к радиусу трех ламинированных листов одинаковой толщины

Когда толщина металлического листа в среднем слое совпадает с толщиной PZT, эквивалентный коэффициент электромеханической связи трехслойного листа является самым большим. Затем анализируется влияние отношения толщины к радиусу трехслойного листа одинаковой толщины на подводную работу гидрофона. Держите толщину и радиус трех ламинированных металлических листов с равной толщиной без изменений, радиус PZT неизменным, держите PZT и толщину металла одинаковой и только изменяйте толщину PZT (металлический лист). Как показано на рисунках 11 и 12.

Из рисунка 11 видно, что по мере увеличения толщины PZT (металлического листа) антирезонансная частота в воде гидрофона постепенно увеличивается. На рисунке 12, когда толщина PZT (металлический лист) постепенно увеличивается, уровень чувствительности гидрофона в низкочастотной полосе постепенно уменьшается, а колебания постепенно становятся меньше.

2.3.5 Анализ регулярности

Закон об изменении ответа, полученный в вышеуказанном процессе оптимизации, может быть обобщен следующим образом: 1) По мере постепенного увеличения модуля молодых средних металлов антирезонансная частотаПодводная связь гидрофонПостепенно становится больше, а уровень чувствительности низкочастотной полосы становится меньше и колеблется. 2) По мере того, как отношение PZT к радиусу металлического листа становится больше, антирезонансная частота гидрофона в воде становится больше, уровень чувствительности чувствительности низкочастотной полосы уменьшается, а колебания становится меньше; 3) По мере того, как соотношение толщины PZT к толщине металлического листа становится больше, антирезонансная частота гидрофона в воде сначала увеличивается и затем уменьшается, достигая пикового значения при соотношении 1, и низкочастотный прием Сначала уровень чувствительности увеличивается, а затем уменьшается, достигая пика при соотношении около 0,5, а низкочастотные колебания постепенно уменьшаются; 4) и т. Д. В толстом тройном ламинате, как соотношение толщины к радиусу PZT (металлический лист) становится больше, антирезонансная частота гидрофона в воде становится больше, уровень чувствительности приема на низкой частоте полоса становится меньше, а колебания становится меньше. В целом, чем больше размер преобразователя, тем меньше его резонансная частота и фундаментальная частота резонанса гидрофона увеличивается с увеличением радиуса или толщины PZT. Это связано с тем, что гидрофон использует три режима изгибной вибрации ламинированного листа. Основным фактором влияния этого режима вибрации является жесткость триплекса. Когда радиус или толщина PZT увеличивается, жесткость всего триплекса становится все больше, поэтому резонанс резонанса триплексной гибкой вибрации частота станет больше, что увеличит резонансную частоту гидрофона. Высота металлического кольца, зажатая в середине гидрофона, намного меньше диаметра трехслойного листа, и он не участвует в изгибающей вибрации трехслойного листа, поэтому удар на гидрофон невелик Анкет

2.4 Окончательный результат

В соответствии с вышеупомянутым законом влияния посредством структурной оптимизации и с учетом сложности фактического производственного процесса различных частей гидрофона, параметры размера различных частей гидрофона, наконец, определяются, как показано в таблице 2. Используйте программное обеспечение COMSOL для моделирования и расчета кривой импеданса гидрофона в воде. Антирезонансная частота составляет 5,2 кГц, как показано на рисунке 13.

Используйте программное обеспечение COMSOL для моделирования и вычисления уровня чувствительности получения гидрофона в диапазоне частот от 100 Гц до 6 кГц, как показано на рисунке 14.

Использование программного обеспечения COMSOL для моделирования и вычисления уровня чувствительности получения гидрофона в диапазоне частот от 100 Гц до 6 кГц, как показано на рисунке 14.

В низкочастотной полосе 100 Гц ~ 2,5 кГц уровень чувствительности гидрофона примерно -178 дБ, а колебания составляет менее 3 дБ, как показано на рисунке 15. Когда длина волны звуковой волны намного больше, чем Максимальная линейная шкала преобразователя, преобразователь не имеет направления. В полосе рабочей частоты гидрофона минимальная длина волны, когда частота звуковой волны составляет 2,5 кГц составляет 0,6 м, что больше, чем максимальный размер гидрофона на 0,045 м, можно считать, что гидрофон не имеет направления при получении. звуковые волны.

3 Производство и тестирование гидрофона

Согласно окончательным структурным параметрам гидрофона, оптимизированным Comsol, были обработаны структурные компоненты, и был составлен гидрофон прототип, как показано на рисунке 16. После горнения диаметр гидрофона составляет 45 мм, а толщина составляет 12 мм.

Тест на производительность гидрофона проводилась в анехозном пуле, размер бассейна составлял 25 м × 16 м × 10 м, и для измерения использовался метод сравнения, и для измерения сравнения использовался стандартный гидрофон (B & K 8105). Анкет Проведение импульсного сигнала принимается, а расстояние между передавающим преобразователем и стандартным гидрофоном составляет 1,5 м (удовлетворение условия дальнего поля), и оно помещается вдоль длины бассейна с глубиной подвешивания 4 м. Кривая допуска в воде гидрофона прототипа, наконец, измеряется, как показано на рисунке 17.

Из рисунка 17 видно, что антирезонансная частота гидрофона прототипа составляет 3,3 кГц. Из -за ограничения нижнего предела частоты звуковой волны, которую используемый передающий датчик может передавать только 500 Гц -волну, самая низкая частота кривой уровня чувствительности измерительной воды составляет 500 Гц, как показано на рисунке 18.

Из рисунка 18 видно, что в полосе частоты 500 Гц ~ 2,5 кГц уровень чувствительности приемника гидрофона составляет не более -178 дБ, а колебания составляет менее 4 дБ. Разница между измерением и моделируемыми результатами антирезонансной частоты гидрофона в основном связана с тем, что поверхность гидрофона прототипа складывается слоем водонепроницаемого полиуретанового резины с толщиной 2 мм, что увеличит Эквивалентное качество вибрации гидрофона. Трудно имитировать этот вязкоупругий материал на программном обеспечении для моделирования COMSOL. Точность сборки структурных частей и процесс связи также окажут определенное влияние на производительность гидрофона. Вышеуказанные два фактора вызывают разницу между измеренными данными и значением моделирования конечных элементов. Анкет Сравните измеренные данные уровня чувствительности приема в полосе частот 500 Гц ~ 2,5 кГц с результатами моделирования, как показано на рисунке 19. В этой полосе частот измеренный максимальный уровень чувствительности составляет -178 дБ, а колебания меньше чем 4 дБ. Измеренные данные и смоделированное значение Тенденция одинакова, а измеренные данные колеблется немного больше, чем смоделированное значение.

Что касается испытания на получение чувствительности гидрофона в разных азимутах, то осевые и радиальные уровни чувствительности к гидрофону были протестированы соответственно. Результаты испытаний показаны на рисунке 20. Уровень чувствительности приемной чувствительности примерно такой же, и можно считать, что гидрофон не имеет направления в полосе рабочей частоты 500 Гц ~ 2,5 кГц.

4. Вывод

1) Проектирование и производство низкочастотного изгибного гидрофона. Измерительный гидрофон имеет уровень чувствительности приема -178 дБ в полосе частот 500 Гц - 2,5 кГц, а колебания составляет менее 4 дБ. 2. Малый низкочастотный изгиб гидрофон реализовал характеристики приема звуковых волн с более высокой чувствительностью, которая имеет значение для применения структуры изгиба в гидрофоне.