Pesquisa sobre o hidrofone curvo de baixa frequência

A fim de receber ondas sonoras de baixa frequência com alta sensibilidade, foi estudado um hidrofone flexão de três lados de dois lados, aplicando o software de elementos finitos com o design de simulação e otimização do hidrofone curvo. A influência de cada parte do grau de sensibilidade de recebimento da hidrofona foi analisada para fornecer o esquema ideal. Finalmente, produzimos um protótipo de hidrofone e testei-o na água. O tamanho máximo do protótipo de hidrofone foi de 45 mm. Os resultados do experimento mostram que na faixa de frequência de recepção 500 Hz-2,5 kHz, o grau máximo de sensibilidade à pressão de recepção foi -178 dB, ondulando menos de 4 dB. O resultado do experimento é o mesmo que o da simulação.

Como A.transdutor acústico subaquáticoDispositivo de recepção de sinal, um hidrofone de pressão sonora pode ser usado para capturar alterações sutis nos sinais de pressão sonora subaquática, gerando uma saída de tensão proporcional à pressão sonora, e converter energia sonora em sinais elétricos que são fáceis de observar, o equipamento chave para o O funcionamento normal do sistema de sonar é um equipamento indispensável e necessário na pesquisa acústica subaquática. No entanto, os hidrofones existentes de baixa frequência e de alta sensibilidade geralmente têm um tamanho relativamente grande. A estrutura do disco de três empilhadas do transdutor, o modo de vibração de flexão domina a vibração, tem as características de baixa frequência ressonante, tamanho pequeno, estrutura simples e assim por diante. No entanto, na aplicação do disco de três pilhas, é mais usado no transdutor de transmissão ou hidrofone de vetor e menos na hidrofone de pressão acústica. A desvantagem de hidrofones de flexão de baixa frequência é que a banda de frequência de trabalho é muito estreita, mas como hidrofones comercialmente disponíveis, a largura de banda é muito ampla, mas o nível de sensibilidade não é alto. Se houver necessidade de receber ondas sonoras apenas em uma banda específica de baixa frequência, as laminações são dobradas o hidrofone com a estrutura estruturada tem a vantagem do alto nível de sensibilidade e tem seu valor de uso. Este artigo pretende projetar um hidrofone curvo de três laminação, que aproveita o tamanho pequeno e baixo ponto de ressonância do disco de três laminação, e adota a forma de design de conectar dois discos de três laminação superior e inferior em paralelo e ajusta a frequência fundamental através da otimização de tamanho. A posição do ponto de ressonância é usada para realizar um hidrofone de tamanho pequeno com alta resposta de sensibilidade em baixa faixa de frequência.

1 O design do hidrofone curvo de três laminação

Hidrofone de flexão de três laminação, a parte intermediária é um anel de metal, o anel de metal ligue simetricamente dois discos de três laminação para cima e para baixo, a cerâmica piezoelétrica dos discos de três laminação é conectada em série, e a parte superior e inferior de dois Os discos de laminação são conectados em série. Através da conexão paralela, essa estrutura pode fazer o hidrofone vibrar simetricamente e é fácil de montar e fabricar.

2 simulação de elemento finito de hidrofone

Software de elementos finitos de simulação multi-fílios comSol, com módulo de interação acústica-piezoelétrico, pode ser usado para analisar problemas multi-física, como acoplamento de estrutura de fluido na onda plana ou campo de som de onda esférica, e pode simular diretamente a cena de trabalho detransdutor de hidrofone.recebendo ondas sonoras na água. E pode extrair a voltagem correspondente da superfície cerâmica piezoelétrica do hidrofone para calcular a sensibilidade de recebimento. Este artigo usa software comSol para analisar e projetar o hidrofone curvo.

2.1 Modelo de simulação de elementos finitos de hidrofone

Use o software de simulação comSol multiphísico para realizar análise de elementos finitos no hidrofone projetado. Primeiro, estabeleça o modelo de elementos finitos do hidrofone e ignore a camada de ligação entre a cerâmica piezoelétrica e o metal, a camada de ligação entre os metais, e a borracha de poliuretano em vaso na camada mais externa na modelagem.Estabilitando um modelo tridimensional do hidrofone com cola e fios de eletrodo soldados, escolhendo o PZT-5 como o material cerâmico piezoelétrico, escolha a duralumina, cobre ou aço como o material para o disco de metal médio, e escolha o cobre como o material para o anel de metal médio.

2.2 Pesquisa sobre o modo de vibração de hidrofone

Usando o software COMSOL para analisar a frequência característica do hidrofone, você pode obter intuitivamente a frequência característica e deslocamento de vibração dos diferentes modos de vibração do hidrofone. O diagrama esquemático inclui a posição relativa de cada parte do hidrofone em cada modo de vibração. Esses resultados de análise ajudam a entender melhor o princípio de trabalho do hidrofone. A vibração do modo de vibração de primeira ordem de um hidrofone de um determinado tamanho. Este modo de vibração é o modo quando o hidrofone recebe ondas sonoras.

2.3 Design de otimização estrutural de hidrofone

Usando o software ComSol para simular e analisar o desempenho de trabalho do hidrofone na água. Você pode estabelecer diretamente uma área de água com um raio de 0,05 m em torno do hidrofone e, em seguida, definir um campo de fundo de onda de som plano com uma pressão sonora de 1 pa na área da água para simular o cenário de trabalho real do hidrofone na água, o Modelo subaquático estabelecido do hidrofone é mostrado na Figura 4. Na configuração de análise do COMSOL, a etapa de pesquisa seleciona o domínio de frequência, de modo que a resposta de todo o sistema linear quando submetido a excitação harmônica simples, e a tensão excitada por O hidrofone sob a ação das ondas sonoras de frequências diferentes pode ser calculado. Em seguida, extraia a tensão na superfície cerâmica piezoelétrica do hidrofone e calcule o nível de sensibilidade do recebimento correspondente do hidrofone através de uma fórmula. Como o hidrofone funciona em um estado de circuito aberto, o pico da sensibilidade de recebimento da hidrofona é em sua frequência anti-ressonância e o nível de sensibilidade a receberhidrofone subaquáticode um determinado tamanho é simulado.

Pode ser visto a partir dos resultados da simulação que a curva de nível de sensibilidade de recebimento do hidrofone com essa estrutura é relativamente plana na faixa de baixa frequência. Em seguida, estudaremos as mudanças dimensionais de cada parte do hidrofone, e o efeito da frequência anti-ressonância e a baixa frequência que recebe o nível de sensibilidade da influência hidrofona. Tomando os parâmetros geométricos do PZT e os discos de metal na tri-stack, e o tipo de materiais metálicos como variáveis, o grau de tamanho e flutuação da pressão sonora de hidrofônicos projetados que recebem o nível de sensibilidade na faixa de baixa frequência são tomadas como objetivo e o hidrofone é realizado. O design otimizado do hidrofone se esforça para tornar a pressão sonora que recebe o nível de sensibilidade do hidrofone na faixa de baixa frequência o mais alto possível e as flutuações o mais pequeno possível. As variáveis ​​usadas na análise de simulação do método variável controlada são: 1) as propriedades do material dos três discos de metal laminados; 2) a proporção do raio PZT para o raio da folha de metal; 3) a proporção da espessura do PZT para a espessura da folha de metal; 4) A espessura das três folhas laminadas de espessura igual em comparação com o raio.

2.3.1 Tipos de PZT e Tipos de Folhas De Metal

Altere o tipo de disco de metal no meio das três laminações, e obtenha a frequência anti-ressonância e receba a curva de nível de sensibilidade do hidrofone na água pelo cálculo da simulação. Os resultados são mostrados na Tabela 1 e na Figura 6.

Pode ser visto na Tabela 1 que, como o módulo jovem do metal selecionado aumenta gradualmente, a frequência anti-ressonante do hidrofone aumenta gradualmente. Pode ser visto da Fig. 6 que, como o módulo do jovem da folha de metal aumenta gradualmente, o nível de sensibilidade que recebe a baixa faixa de frequência do hidrofono diminui gradualmente.

2.3.2 Relação de raio PZT para raio de chapa metálica

Mantenha a espessura do PZT e a folha de metal intermediária inalterada e leve o raio da folha de metal intermediário como 20 mm. Quando apenas o raio PZT é alterado, a frequência anti-ressonância da hidrofona e a recepção de curvas de nível de sensibilidade na água são mostradas nas Figuras 7 e 8.

Pode ser visto da Fig. 7 que, à medida que o raio do PZT aumenta, a frequência anti-ressonante do hidrofone na água aumenta gradualmente e, quando se aproxima de 20 mm, a frequência anti-ressonante dificilmente aumenta. A Figura 8 mostra que, à medida que o raio PZT se torna maior, o nível de sensibilidade que recebe do hidrofone na faixa de baixa frequência diminui gradualmente, mas o grau de diminuição não é grande, e as flutuações são mais planas. 2.3.3 A proporção de espessura de PZT para a espessura do metal mantém o PZT e o raio da folha de metal médio inalterada. A espessura da folha de metal médio é de 1 mm, e apenas a espessura do PZT é alterada. A freqüência anti-ressonância e a curva de nível de sensibilidade do hidrofone na água são mostradas na Figura 9 e 10.

Pode ser visto na Figura 9 que, à medida que a espessura do PZT aumenta, a frequência anti-ressonante do hidrofone na água aumenta gradualmente. Quando atinge a mesma espessura que a folha de metal de 1 mm, a freqüência anti-ressonante atinge o máximo, e a espessura do PZT continua a aumentar. A frequência anti-ressonante da hidrofona diminui. Pode ser visto a partir da Figura 10 (a) que, à medida que a espessura do PZT aumenta de 0,2 mm a 0,5 mm, o nível de sensibilidade que recebe do hidrofone na faixa de baixa frequência aumenta gradualmente, e as flutuações se tornam mais planas. No entanto, quando a espessura do PZT é de 0,4 mm, a situação é especial, e o nível de sensibilidade receptora da faixa de baixa frequência diminui de repente; Da Figura 10 (B), pode-se ver que, quando a espessura do PZT aumenta de 0,5 mm a 1,5 mm, a baixa frequência que recebe sensibilidade do hidrofone que o nível diminui gradualmente, e a flutuação é quase inalterada.

2.3.4 Rácio de espessura ao raio de três folhas laminadas de espessura igual

Quando a espessura da folha de metal na camada intermediária é a mesma que a espessura do PZT, o coeficiente de acoplamento eletromecânico equivalente da folha de três camadas é o maior. Em seguida, a influência da espessura da proporção do raio da folha de três camadas de espessura igual na operação subaquática do hidrofone é analisada. Mantenha a espessura e o raio das três folhas de metal laminadas de espessura igual inalterada, o raio PZT inalterado, mantém o PZT e a espessura do metal o mesmo, e apenas altera a espessura do PZT (folha de metal). Como mostrado nas Figuras 11 e 12.

Pode ser visto na figura 11 que, à medida que a espessura do PZT (folha de metal) aumenta, a frequência anti-ressonante na água do hidrofono aumenta gradualmente. Na Figura 12, à medida que a espessura da PZT (folha de metal) aumenta gradualmente, o nível de sensibilidade que recebe o hidrofone na faixa de baixa frequência diminui gradualmente, e as flutuações ficam gradualmente menores.

2.3.5 Análise de regularidade.

A lei de mudança de resposta obtida no processo de otimização acima pode ser resumida da seguinte forma: 1) Como o módulo jovem do disco médio aumenta gradualmente, a frequência anti-ressonante deHidrofone de comunicação subaquáticagradualmente se torna maior, e o nível de sensibilidade recebendo da banda de baixa frequência se torna menor e flutua. 2) Como a proporção do PZT para o raio da folha de metal torna-se maior, a frequência anti-ressonante do hidrofone na água torna-se maior, o nível de sensibilidade que recebe a borda de baixa frequência diminui, e a flutuação se torna menor; 3) Como a proporção da espessura do PZT para a espessura da folha de metal torna-se maior, a frequência anti-ressonante do hidrofone na água aumenta e depois diminui, atingindo o valor máximo em uma proporção de 1, e a baixa frequência que recebe O nível de sensibilidade aumenta primeiro e depois diminui, atingindo o pico em uma proporção de cerca de 0,5 e as flutuações de baixa frequência diminuem gradualmente; 4) No triplo triplo laminado, como a proporção da espessura para o raio do PZT (folha de metal) torna-se maior, a frequência anti-ressonante do hidrofone na água torna-se maior, o nível de sensibilidade receptora na baixa frequência banda se torna menor, e a flutuação se torna menor. Em geral, quanto maior o tamanho do transdutor, menor a sua frequência de ressonância, e a frequência de ressonância fundamental da hidrofona aumenta com o aumento do raio ou espessura do PZT. Isso ocorre porque o hidrofone usa três o modo de vibração flexural da folha laminada. O principal fator de influência deste modo de vibração é a rigidez do tríplex. Quando o raio ou a espessura do PZT aumenta, a rigidez de todo o triplex se torna maior, então a ressonância do modo de vibração flexural triplex a frequência se tornará maior, tornando a frequência de ressonância do hidrofone maior. A altura do anel de metal preso no meio do hidrofone é muito menor do que o diâmetro da folha de três camadas, e não participa na vibração de flexão da folha de três camadas, então o impacto no hidrofone é pequeno .

2.4 resultado final

De acordo com a lei de influência acima mencionada por meio da otimização estrutural, e levando em conta a dificuldade do processo de produção real das várias partes do hidrofone, os parâmetros de tamanho das várias partes do hidrofone são finalmente determinados como mostrado na Tabela 2. Use o software ComSol para simular e calcular a curva de impedância do hidrofone na água. A frequência anti-ressonante é de 5,2 kHz, como mostrado na Figura 13.

Use o software COMSOL para simular e calcular o nível de sensibilidade do recebimento do hidrofone no intervalo de frequência de 100 Hz a 6 kHz, conforme mostrado na Figura 14.

Usando o software COMSOL para simular e calcular o nível de sensibilidade de recebimento do hidrofone no intervalo de frequência de 100 Hz a 6 kHz, conforme mostrado na Figura 14.

Na faixa de baixa frequência 100 Hz ~ 2,5 kHz, o nível de sensibilidade que recebe do hidrofone é de cerca de -178 dB e a flutuação é inferior a 3 dB, como mostrado na Figura 15. Quando o comprimento de onda da onda sonora é muito maior do que A escala linear máxima do transdutor, o transdutor não tem diretividade. Na faixa de frequência de trabalho do hidrofone, o comprimento de onda mínimo quando a frequência de onda sonora é de 2,5 kHz é de 0,6 m, que é maior que o tamanho máximo do hidrofone por 0,045 m, pode-se considerar que o hidrofone não tem diretividade ao receber ondas sonoras.

3 Produção e teste de hidrofone

De acordo com os parâmetros estruturais finais do hidrofone otimizado pela ComSol, os componentes estruturais foram processados ​​e o protótipo de hidrofone foi feito, como mostrado na Figura 16. Após a vasos, o diâmetro do hidrofone é de 45 mm e a espessura é de 12 mm.

O teste de desempenho do hidrofone foi realizado em uma piscina anecóica, o tamanho da piscina foi de 25 m × 16 m × 10 m, e o método de comparação foi utilizado para medição, e um hidrofone padrão (B & K 8105) foi utilizado para medição de comparação . A transmissão do sinal de pulso é adotada, e a distância entre o transdutor de transmissão e o hidrofone padrão é de 1,5 m (satisfazendo a condição de campo distante), e é colocada ao longo do comprimento da piscina com uma profundidade de pendurar 4 m. A curva de admissão na água do hidrofone do protótipo é finalmente medida conforme mostrado na Figura 17.

Pode ser visto da Figura 17 que a frequência anti-ressonante do protótipo de hidrofona é de 3,3 kHz. Devido à limitação do limite inferior da frequência de onda sonora que o transdutor de transmissão usado só pode transmitir 500 Hz Wave de som, a menor frequência da curva de nível de sensibilidade que recebe de medição é de 500 Hz, conforme mostrado na Figura 18.

Pode ser visto na figura 18 que na faixa de frequência de 500 Hz ~ 2,5 kHz, o nível de sensibilidade do receptor de hidrofona é no máximo -178 dB e a flutuação é inferior a 4 dB. A diferença entre os resultados de medição e simulada da frequência anti-ressonante do hidrofone é principalmente devido ao fato de que a superfície do protótipo de hidrofona é envidraçada com uma camada de borracha de poliuretano estanque com uma espessura de 2 mm, que aumentará a Qualidade de vibração equivalente do hidrofone. É difícil simular este material viscoelástico no software de simulação comSol. A precisão da montagem das partes estruturais e do processo de ligação também terá um certo impacto no desempenho do hidrofone. Os dois fatores acima fazem com que a diferença entre os dados medidos e o valor da simulação de elementos finitos. . Compare os dados medidos do nível de sensibilidade recebendo na faixa de frequência de 500 Hz ~ 2.5 KHz com os resultados da simulação, conforme mostrado na Figura 19. Nesta faixa de freqüência, o nível máximo de sensibilidade de recebimento máximo é de -178 dB e a flutuação é menor de 4 dB. Os dados medidos e o valor simulado a tendência é o mesmo, e os dados medidos flutuaram ligeiramente maiores que o valor simulado.

Em relação ao teste de sensibilidade do recebimento do hidrofone em diferentes azimutos, os níveis de sensibilidade axial e radial do hidrofone foram testados respectivamente. Os resultados do teste são mostrados na Figura 20. O nível de sensibilidade de recebimento é aproximadamente o mesmo, e pode-se considerar que o hidrofone não tem diretividade na faixa de freqüência de trabalho de 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4. Conclusão

1) Projetando e produzindo um hidrofone de flexão de baixa frequência. O hidrofone de medição tem um nível de sensibilidade recebendo de -178 dB na banda de freqüência 500Hz-2,5 kHz, e a flutuação é inferior a 4 dB. 2. O hidrofone de flexão de baixa frequência de tamanho pequeno percebeu as características de receber ondas sonoras com maior sensibilidade, que possui significância de orientação para a aplicação da estrutura do disco de flexão no hidrofone.