La investigación sobre la baja frecuencia curvada hidrófono

Para recibir ondas de sonido de baja frecuencia con alta sensibilidad, se estudió un hidrófono flexural de tres lados de doble lados, aplicando el software de elementos finitos COMSOL a la simulación y el diseño de optimización del hidrófono curvado. Se analizó la influencia de cada parte en la generación de sensibilidad de recepción del hidrófono para proporcionar el esquema óptimo. Finalmente, produjimos un prototipo de hidrófono y lo probó en el agua. El tamaño máximo del prototipo de hidrófono fue de 45 mm. Los resultados del experimento muestran que en el rango de frecuencia receptor 500 Hz-2.5 kHz, la calificación máxima de sensibilidad a la presión de recepción fue -178 dB, ondulada menos de 4 dB. El resultado del experimento es el mismo que el de la simulación.

Como unTransductor acústico subacuáticoDispositivo de recepción de la señal, se puede usar un hidrófono de presión de sonido para capturar cambios sutiles en las señales de presión de sonido subacuáticas, generando una salida de voltaje proporcional a la presión de sonido, y convertir energía de sonido en señales eléctricas que son fáciles de observar, el equipo clave para el El funcionamiento normal del sistema sonar es un equipo indispensable y necesario en la investigación acústica subacuática. Sin embargo, los hidrófonos existentes de baja frecuencia, de alta sensibilidad a menudo tienen un tamaño relativamente grande. La estructura de disco de tres apiladas del transductor, el modo de vibración de flexión domina la vibración, tiene las características de la frecuencia de bajo resonante, el tamaño pequeño, la estructura simple, etc. Sin embargo, en la aplicación del disco de tres pilas, se usa más en el transductor de transmisión o el hidrófono vectorial, y menos en el hidrófono de presión acústica. La desventaja de los hidrófonos de flexión de baja frecuencia es que la banda de frecuencia de trabajo es muy estrecha, pero como hidrófonos disponibles comercialmente, el ancho de banda es muy amplio, pero el nivel de sensibilidad no es alto. Si hay una necesidad de recibir ondas de sonido solo en una banda específica de baja frecuencia, las laminaciones están dobladas, el hidrófono con la estructura estructurada tiene la ventaja del nivel de alta sensibilidad y tiene su valor de uso. Este documento tiene la intención de diseñar un hidrófono curvado de tres laminaciones, que aprovecha el pequeño tamaño y el bajo punto de resonancia del disco de tres laminaciones, y adopta la forma de diseño de la conexión de dos discos superiores e inferiores de tres laminaciones en paralelo, y se ajusta La frecuencia fundamental a través de la optimización del tamaño. La posición del punto de resonancia se utiliza para realizar un hidrófono de tamaño pequeño con una alta respuesta de sensibilidad en banda de baja frecuencia.

1 El diseño de la hidrófona curvada de tres laminaciones.

Hidrófono de flexión de tres laminaciones, la parte media es un anillo metálico, el anillo de metal se enlaza siméticamente dos discos de tres laminaciones hacia arriba y hacia abajo, la cerámica piezoeléctrica de los discos de tres laminaciones está conectada en serie y la parte superior e inferior tres- Los discos de laminación están conectados en serie. A través de la conexión paralela, esta estructura puede hacer que el hidrófono vibre simétricamente, y es fácil de ensamblar y fabricar.

2 elemento finito simulación de hidrófono

El software de elementos finitos de simulación multiphísica de COMSOL, con módulo de interacción acústica-piezoeléctrico, se puede utilizar para analizar problemas de múltiples física, como el acoplamiento de la estructura de fluidos en la onda plana o el campo de sonido de onda esférica, y puede simular directamente la escena de trabajo deTransductor de hidrófonoRecibiendo ondas de sonido en agua. Y puede extraer el voltaje correspondiente de la superficie cerámica piezoeléctrica del hidrófono para calcular la sensibilidad de recepción. Este artículo utiliza el software COMSOL para analizar y diseñar el hidrófono curvado.

2.1 Modelo de simulación de elementos finitos de hidrófono.

Use el software de simulación de multiphísica COMSOL para realizar un análisis de elementos finitos en el hidrófono diseñado. Primero, establezca el modelo de elemento finito del hidrófono, e ignore la capa de unión entre la cerámica piezoeléctrica y el metal, la capa de unión entre los metales y la goma de poliuretano en maceta en la capa más externa en el modelo ..ispregnando un modelo tridimensional del hidrófono con pegamento y alambres de electrodos soldados, eligiendo PZT-5 como material cerámico piezoeléctrico, elija Duralumin, cobre o acero como material para el disco de metal medio, y elija cobre como material para el anillo de metal medio.

2.2 Investigación sobre el modo de vibración de hidrófono.

Utilizando el software COMSOL para analizar la frecuencia característica del hidrófono, puede obtener intuitivamente la frecuencia característica y el desplazamiento de vibración de los diferentes modos de vibración del hidrófono. El diagrama esquemático incluye la posición relativa de cada parte del hidrófono en cada modo de vibración. Estos resultados de análisis ayudan a comprender mejor el principio de funcionamiento del hidrófono. La vibración del modo de vibración de primer orden de un hidrófono de un determinado tamaño. Este modo de vibración es el modo cuando el hidrófono recibe ondas de sonido.

2.3 Diseño de optimización estructural de hidrófono.

Uso del software COMSOL para simular y analizar el rendimiento de trabajo del hidrófono en el agua. Puede establecer directamente un área de agua con un radio de 0.05 m alrededor del hidrófono, y luego establecer un campo de fondo de onda de sonido plano con una presión de sonido de 1 PA en el área de agua para simular el escenario de trabajo real del hidrófono en agua, el El modelo submarino establecido del hidrófono se muestra en la Figura 4. En la configuración de Análisis de COMSOL, la etapa de investigación selecciona el dominio de frecuencia, de modo que se puede analizar la respuesta de todo el sistema lineal cuando se somete a una simple excitación armónica, y el voltaje emocionado por Se puede calcular el hidrófono bajo la acción de las ondas de sonido de diferentes frecuencias. Luego, extraiga el voltaje en la superficie cerámica piezoeléctrica del hidrófono y calcule el nivel de sensibilidad de recepción correspondiente del hidrófono a través de una fórmula. Dado que el hidrófono funciona en un estado de circuito abierto, el pico de la sensibilidad de recepción del hidrófono está en su frecuencia anti-resonancia, y el nivel de sensibilidad de recepción de unhidrófono submarinode un cierto tamaño se simula.

Los resultados de la simulación se pueden ver en las que la curva de nivel de sensibilidad de recepción del hidrófono con esta estructura es relativamente plana en la banda de baja frecuencia. A continuación, estudiaremos los cambios dimensionales de cada parte del hidrófono y el efecto de la frecuencia anti-resonancia y la baja frecuencia que recibió el nivel de sensibilidad de la influencia del hidrófono. Tomando los parámetros geométricos del PZT y los discos metálicos en la tri-stack, y el tipo de materiales metálicos como variables, el grado de tamaño y el grado de fluctuación del nivel de sensibilidad de la presión de sonido del hidrófono diseñado en la banda de baja frecuencia se toman como objetivo , y se lleva a cabo el hidrófono. El diseño optimizado de la hidrófona se esfuerza por hacer que la presión de sonido que recibe el nivel de sensibilidad de la hidrófona en la banda de baja frecuencia lo más alta posible y las fluctuaciones lo más pequeñas posible. Las variables utilizadas en el análisis de simulación del método de variable controlado son: 1) las propiedades de material de los tres discos metálicos laminados; 2) la relación del radio PZT al radio de la hoja de metal; 3) la proporción del grosor de PZT al grosor de la lámina de metal; 4) El espesor de las tres hojas laminadas de igual espesor en comparación con el radio.

2.3.1 Tipos de PZT y tipos de hojas metálicas.

Cambie el tipo de disco metálico en la mitad de las tres laminaciones, y obtenga la frecuencia anti-resonancia y recibe la curva de nivel de sensibilidad del hidrófono en agua mediante cálculo de simulación. Los resultados se muestran en la Tabla 1 y la Figura 6.

Puede verse a partir de la Tabla 1 que, a medida que aumenta gradualmente el módulo de metal seleccionado, la frecuencia anti-resonante del hidrófono aumenta gradualmente. Se puede ver en la Fig. 6 que a medida que aumenta gradualmente el módulo de la hoja de metal, el nivel de sensibilidad de recepción de la banda de baja frecuencia del hidrófono disminuye gradualmente.

2.3.2 Relación de RADIO PZT A RADIO HOJA DE METAL

Mantenga el grosor del PZT y la lámina de metal intermedia sin cambios, y tomar el radio de la lámina de metal intermedia de 20 mm. Cuando solo se cambia el radio PZT, la frecuencia anti-resonancia de hidrófono y la sensibilidad de sensibilidad que reciben curvas de nivel de sensibilidad en el agua se muestran en las Figuras 7 y 8.

Se puede ver en la Fig. 7 que a medida que aumenta el radio de la PZT, la frecuencia anti-resonante de la hidrófona aumenta gradualmente, y cuando se acerca a 20 mm, la frecuencia anti-resonante apenas aumenta. La Figura 8 muestra que, a medida que el radio PZT se vuelve más grande, el nivel de sensibilidad de recepción del hidrófono en la banda de baja frecuencia disminuye gradualmente, pero el grado de disminución no es grande, y las fluctuaciones son más planas. 2.3.3 La relación de grosor de PZT al grosor de metal mantiene el PZT y el radio de la lámina de metal medio sin cambios. El grosor de la lámina de metal medio es de 1 mm, y solo se cambia el grosor de PZT. La frecuencia anti-resonancia y la curva de nivel de sensibilidad de la hidrófona en agua se muestran en la Figura 9 y 10.

Se puede ver en la Figura 9 que a medida que aumenta el grosor del PZT, la frecuencia anti-resonante del hidrófono en el agua aumenta gradualmente. Cuando alcanza el mismo espesor que la lámina de metal de 1 mm, la frecuencia anti-resonante alcanza el máximo, y el grosor de PZT continúa aumentando. La frecuencia anti-resonante del hidrófono disminuye en su lugar. Se puede ver en la Figura 10 (a) que, a medida que el grosor del PZT aumenta de 0,2 mm a 0,5 mm, el nivel de sensibilidad de recepción del hidrófono aumenta gradualmente, y las fluctuaciones se vuelven más planas. Sin embargo, cuando el grosor de PZT es de 0,4 mm, la situación es especial, y el nivel de sensibilidad de recepción de la banda de baja frecuencia disminuye repentinamente; Desde la Figura 10 (b), se puede ver que cuando el grosor de PZT aumenta de 0,5 mm a 1,5 mm, la baja frecuencia que recibe la sensibilidad de la hidrófona, el nivel disminuye gradualmente, y la fluctuación está casi sin cambios.

2.3.4 Relación de grosor al radio de tres láminas laminadas de igual espesor.

Cuando el grosor de la lámina de metal en la capa central es la misma que el grosor del PZT, el coeficiente de acoplamiento electromecánico equivalente de la hoja de tres capas es la más grande. A continuación, se analiza la influencia de la proporción de grosor a radio de la lámina de tres plantios de igual espesor en el funcionamiento submarino del hidrófono. Mantenga el grosor y el radio de las tres hojas de metal laminadas de igual espesor sin cambios, el radio PZT no cambió, mantenga el PZT y el grosor del metal igual, y solo cambie el grosor del PZT (hoja de metal). Como se muestra en las Figuras 11 y 12.

Se puede ver en la Figura 11 que a medida que aumenta el grosor del PZT (hoja de metal), la frecuencia anti-resonante en el agua del hidrófono aumenta gradualmente. En la Figura 12, a medida que aumenta gradualmente el grosor de la PZT (lámina de metal), el nivel de sensibilidad de recepción del hidrófono en la banda de baja frecuencia disminuye gradualmente, y las fluctuaciones gradualmente se vuelven más pequeñas.

2.3.5 Análisis de regularidad

La ley de cambio de respuesta obtenida en el proceso de optimización anterior se puede resumir de la siguiente manera: 1) A medida que aumenta gradualmente el módulo del Módulo de Metal medio, la frecuencia anti-resonante deHidrófono de comunicaciones submarinas.gradualmente se vuelve más grande, y el nivel de sensibilidad de recepción de la banda de baja frecuencia se reduce y fluctúa. 2) Como la proporción de la PZT al radio de la hoja de metal se vuelve más grande, la frecuencia anti-resonante de la hidrófona en el agua se vuelve más grande, el nivel de sensibilidad de recepción de la banda de baja frecuencia disminuye, y la fluctuación se vuelve más pequeña; 3) Como la proporción del grosor de PZT al grosor de la lámina de metal se vuelve más grande, la frecuencia anti-resonante del hidrófono en el agua aumenta primero y luego disminuye, alcanzando el valor pico en una proporción de 1 y la recepción de baja frecuencia. El nivel de sensibilidad aumenta primero y luego disminuye, alcanzando el pico en una proporción de aproximadamente 0,5, y las fluctuaciones de baja frecuencia disminuyen gradualmente; 4) Etc. En el grueso laminado triple, ya que la relación del grosor al radio del PZT (hoja de metal) se vuelve más grande, la frecuencia anti-resonante del hidrófono en el agua se vuelve más grande, el nivel de sensibilidad de recepción en la baja frecuencia. La banda se vuelve más pequeña, y la fluctuación se vuelve más pequeña. En general, cuanto mayor sea el tamaño del transductor, menor será su frecuencia de resonancia, y la frecuencia de resonancia fundamental del hidrófono aumenta con el aumento del radio PZT o el grosor. Esto se debe a que el hidrófono utiliza tres el modo de vibración de flexión de la lámina laminada. El principal factor de influencia de este modo de vibración es la rigidez del triplex. Cuando aumenta el radio PZT o el grosor, la rigidez de todo el triplex se vuelve mayor, por lo que la resonancia del modo de vibración de flexión triplex, la frecuencia se volverá más grande, lo que hará que la frecuencia de resonancia del hidrófono sea mayor. La altura del anillo de metal sujetado en la mitad del hidrófono es mucho más pequeño que el diámetro de la hoja de tres capas, y no participa en la vibración de flexión de la hoja de tres capas, por lo que el impacto en el hidrófono es pequeño .

2.4 resultado final

De acuerdo con la Ley de influencia mencionada anteriormente a través de la optimización estructural, y teniendo en cuenta la dificultad del proceso de producción real de las distintas partes de la hidrófona, los parámetros de tamaño de las distintas partes del hidrófono finalmente se determinan como se muestra en la Tabla 2. Use el software COMSOL para simular y calcular la curva de impedancia del hidrófono en agua. La frecuencia anti-resonante es de 5,2 kHz, como se muestra en la Figura 13.

Use el software COMSOL para simular y calcular el nivel de sensibilidad de recepción del hidrófono en el rango de frecuencia de 100 Hz a 6 kHz, como se muestra en la Figura 14.

Uso del software COMSOL para simular y calcular el nivel de sensibilidad de recepción del hidrófono en el rango de frecuencia de 100 Hz a 6 kHz, como se muestra en la Figura 14.

En la banda de baja frecuencia 100 Hz ~ 2.5 kHz, el nivel de sensibilidad de recepción del hidrófono es aproximadamente -178 dB, y la fluctuación es inferior a 3 dB, como se muestra en la Figura 15. Cuando la longitud de onda de la onda de sonido es mucho más grande que La escala lineal máxima del transductor, el transductor no tiene la directividad. En la banda de frecuencia de trabajo del hidrófono, la longitud de onda mínima cuando la frecuencia de onda de sonido es de 2.5 kHz es de 0,6 m, lo que es más grande que el tamaño máximo del hidrófono en 0.045 m, se puede considerar que el hidrófono no tiene la directividad al recibir ondas sonoras.

3 Producción y Pruebas de Hidrófono.

De acuerdo con los parámetros estructurales finales del hidrófono optimizado por COMSOL, los componentes estructurales se procesaron y se realizó el prototipo de hidrófono, como se muestra en la Figura 16. Después de la maceta, el diámetro del hidrófono es de 45 mm y el grosor es de 12 mm.

La prueba de rendimiento de la hidrófona se llevó a cabo en una piscina anequóica, el tamaño de la piscina estaba a 25 m × 16 m × 10 m, y se utilizó el método de comparación para la medición, y se utilizó un hidrófono estándar (B & K 8105) para la medición de comparación. . Se adopta la transmisión de la señal de pulso, y la distancia entre el transductor de transmisión y la hidrófona estándar es de 1,5 m (satisfaciendo la condición del campo lejano), y se coloca a lo largo de la longitud de la piscina con una profundidad colgante de 4 m. La curva de admisión en el agua del prototipo de hidrófono se mide finalmente como se muestra en la Figura 17.

Se puede ver en la Figura 17 que la frecuencia anti-resonante del prototipo de hidrófono es de 3.3 kHz. Debido a la limitación del límite inferior de la frecuencia de la onda de sonido que el transductor de transmisión utilizado solo puede transmitir una onda de sonido de 500 Hz, la frecuencia más baja de la curva de nivel de sensibilidad de recepción de agua de medición es de 500 Hz, como se muestra en la Figura 18.

En la Figura 18 se puede ver en la Figura 18 que en la banda de frecuencia de 500 Hz ~ 2.5 kHz, el nivel de sensibilidad del receptor de hidrófono se encuentra a lo sumo -178 dB, y la fluctuación es inferior a 4 dB. La diferencia entre los resultados de medición y simulados de la frecuencia anti-resonante del hidrófono se debe principalmente al hecho de que la superficie del prototipo de hidrófono se en forma de una capa de caucho de poliuretano hermético con un espesor de 2 mm, lo que aumentará el Calidad de vibración equivalente del hidrófono. Es difícil simular este material viscoelástico en el software de simulación de COMSOL. La precisión de la asamblea de las partes estructurales y el proceso de unión también tendrá un cierto impacto en el rendimiento del hidrófono. Los dos factores anteriores causan la diferencia entre los datos medidos y el valor de simulación de elementos finitos. . Compare los datos medidos del nivel de sensibilidad de recepción en la banda de frecuencia de 500 Hz ~ 2.5 kHz con los resultados de la simulación, como se muestra en la Figura 19. En esta banda de frecuencia, el nivel máximo de sensibilidad de recepción medido es -178 dB, y la fluctuación es menor que 4 dB. Los datos medidos y el valor simulado La tendencia es la misma, y ​​los datos medidos fluctuan ligeramente más grandes que el valor simulado.

Con respecto a la prueba de sensibilidad de recepción del hidrófono en diferentes azimuts, los niveles de sensibilidad axial y radial de la sensibilidad de la hidrófona se probaron respectivamente. Los resultados de la prueba se muestran en la Figura 20. El nivel de sensibilidad de recepción es aproximadamente el mismo, y se puede considerar que el hidrófono no tiene la directividad en la banda de frecuencia de trabajo de 500 Hz ~ 2.5 kHz.

4. Conclusión

1) Diseñar y producir un hidrófono de flexión de baja frecuencia. El hidrófono medidor tiene un nivel de sensibilidad de recepción de -178 dB en la banda de frecuencia de 500Hz-2.5 kHz, y la fluctuación es inferior a 4 dB. 2.El hidrófono de flexión de baja frecuencia de tamaño pequeño se ha realizado las características de recibir ondas de sonido con mayor sensibilidad, lo que tiene la importancia de la guía para la aplicación de la estructura del disco de flexión en el hidrófono.