Erforschung des niederfrequenten gekrümmten Hydrophons

Um mit hoher Empfindlichkeit niedrige Schallwellen mit hoher Empfindlichkeit zu empfangen, wurde ein doppelseitiges Drei-Laminierungs-Biegerhydrophon untersucht, wobei die Finite-Elemente-Software auf das Simulations- und Optimierungsdesign des gekrümmten Hydrophons angewendet wurde. Der Einfluss jedes Teils auf den Empfindlichkeitsgrad des Hydrophons wurde analysiert, um das optimale Schema bereitzustellen. Schließlich haben wir einen Hydrophonprototyp erzeugt und ihn im Wasser getestet. Die maximale Größe des Hydrophonprototyps betrug 45 mm. Die Experimentergebnisse zeigen, dass im Empfangsfrequenzbereich 500 Hz –2,5 kHz der maximale Empfindungsempfindlichkeitsgrad –178 dB betrug und weniger als 4 dB. Das Experimentergebnis entspricht dem der Simulation.

Als anUnterwasser akustischer WandlerDas Signalempfangsgerät kann ein Schalldruckhydrophon verwendet werden, um subtile Änderungen der Unterwasser -Schalldrucksignale zu erfassen, einen Spannungsausgang proportional zum Schalldruck erzeugen und Schallenergie in elektrische Signale umwandeln, die leicht zu beobachten sind, die Schlüsselausrüstung für die Der normale Betrieb des Sonarsystems ist eine unverzichtbare und notwendige Ausrüstung in der Unterwasser akustischen Forschung. Die vorhandenen niederfrequenten hochempfindlichen Hydrophone haben jedoch häufig eine relativ große Größe. Die dreistapelige Scheibenstruktur des Wandlers, der Biegevibrationsmodus, dominiert die Schwingung, weist die Eigenschaften einer geringen Resonanzfrequenz, einer geringen Größe, der einfachen Struktur usw. auf. Bei der Anwendung der Drei-Stapel-Scheibe wird sie jedoch eher für das Übertragungswandler oder das Vektorhydrophon als auch am akustischen Druckhydrophon verwendet. Der Nachteil von niederfrequenten Biegehydrophonen besteht darin, dass das Arbeitsfrequenzband sehr eng ist, aber wie im Handel erhältliche Hydrophone ist die Bandbreite sehr breit, aber der Empfindlichkeitsniveau ist nicht hoch. Wenn in einem bestimmten Niederfrequenzband nur Schallwellen empfangen werden müssen, haben die Laminationen das Hydrophon mit der strukturierten Struktur den Vorteil eines hohen Empfindlichkeitsniveaus und haben seinen Nutzungswert. Dieses Papier beabsichtigt, ein drei Laminierungskrümmungshydrophon zu entwerfen, das die geringe Größe und den niedrigen Resonanzpunkt der Drei-Laminierungs-Scheibe nutzt und die Entwurfsform annimmt, zwei obere und untere Drei-Laminierungs-Scheiben parallel zu verbinden, und eingestellt Die grundlegende Häufigkeit durch Größenoptimierung. Die Position des Resonanzpunkts wird verwendet, um ein kleines Hydrophon mit hoher Empfindlichkeitsreaktion im Niederfrequenzband zu realisieren.

1 Das Design des Dreilaminierungshydrophons

Drei-Laminierungs-Biegehydrophon, der mittlere Teil ist ein Metallring, der Metallring verbindet symmetrisch zwei Drei-Laminierungsscheiben auf und ab, die piezoelektrische Keramik der Drei-Laminierungsscheiben sind in Reihe angeschlossen, und die oberen und unteren zwei drei- Laminierungsscheiben sind in Reihe verbunden. Durch parallele Verbindung kann diese Struktur das Hydrophon symmetrisch vibrieren und leicht zu montieren und herzustellen.

2 Finite -Elemente -Simulation von Hydrophon

COMSOL-Multiphysik-Simulation Finite-Elemente-Software mit akustisch-piezoelektrischem Interaktionsmodul kann verwendet werdenHydrophonwandlerErhalt von Schallwellen in Wasser. Und kann die entsprechende Spannung der piezoelektrischen Keramikoberfläche des Hydrophons extrahieren, um die Empfindlichkeit zu berechnen. Dieser Artikel verwendet Comsol -Software, um das gekrümmte Hydrophon zu analysieren und zu entwerfen.

2.1 Finite -Elemente -Simulationsmodell von Hydrophon

Verwenden Sie die Comsol -Multiphysik -Simulationssoftware, um eine Finite -Elemente -Analyse auf dem entworfenen Hydrophon durchzuführen. Erstens das Finite-Elemente-Modell des Hydrophons und ignorieren Sie die Bindungsschicht zwischen der piezoelektrischen Keramik und dem Metall, der Bindungsschicht zwischen den Metallen und dem Polyurethan-Gummi in der äußersten Schicht in der Modellierung. Wählen Sie PZT-5 als piezoelektrisches Keramikmaterial von dem Hydrophon mit Klebstoff und geschweißten Elektrodenkabeln, wählen Sie Duralumin, Kupfer oder Stahl als Material für die Mittelmetallscheibe und wählen Sie Kupfer als Material für den Mittelmetallring.

2.2 Forschung zum Vibrationsmodus von Hydrophon

Mithilfe der COMSOL -Software zur Analyse der charakteristischen Häufigkeit des Hydrophons können Sie die charakteristische Frequenz- und Vibrationsverschiebung der verschiedenen Schwingungsmodi des Hydrophons intuitiv erhalten. Das schematische Diagramm umfasst die relative Position jedes Teils des Hydrophons in jedem Vibrationsmodus. Diese Analyseergebnisse tragen dazu bei, das Arbeitsprinzip des Hydrophons besser zu verstehen. Die Schwingung des Vibrationsmodus erster Ordnung eines Hydrophons einer bestimmten Größe. Dieser Schwingungsmodus ist der Modus, in dem das Hydrophon Schallwellen empfängt.

2.3 Strukturoptimierungsdesign von Hydrophon

Verwenden von COMSOL -Software zur Simulation und Analyse der Arbeitsleistung des Hydrophons im Wasser. Sie können direkt einen Wasserbereich mit einem Radius von 0,05 m um das Hydrophon herstellen und dann ein ebener Schallwellenhintergrund mit einem Schalldruck von 1 Pa im Wasserbereich einstellen, um das tatsächliche Arbeitsszenario des Hydrophons in Wasser zu simulieren, die Das etablierte Unterwassermodell des Hydrophons ist in Abbildung 4 dargestellt. In der COMSOL -Analyseumgebung wählt der Forschungsschritt die Frequenzdomäne aus Das Hydrophon unter der Wirkung von Schallwellen unterschiedlicher Frequenzen kann berechnet werden. Extrahieren Sie dann die Spannung auf der piezoelektrischen Keramikoberfläche des Hydrophons und berechnen Sie den entsprechenden Empfindlichkeitsniveau des Hydrophons durch eine Formel. Da das Hydrophon in einem offenen Zustand funktioniertUnterwasserhydrophoneiner bestimmten Größe wird simuliert.

Aus den Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass die Empfindlichkeitsniveauskurve des Hydrophons mit dieser Struktur im Niederfrequenzband relativ flach ist. Als nächstes werden wir die dimensionalen Veränderungen jedes Teils des Hydrophons und die Wirkung der Anti-Resonanzfrequenz und der niedrigen Empfindlichkeitsniveau des Hydrophonseinflusses untersuchen. Nehmen Sie die geometrischen Parameter der PZT und der Metallscheiben im Tri-Stack und der Art der Metallmaterialien als Variablen, die Größe und den Schwankungsgrad des Sounddrucks des entworfenen Hydrophons, der die Empfindlichkeitsniveau im Niederfrequenzband erhält und das Hydrophon wird durchgeführt. Das optimierte Design des Hydrophons ist bestrebt, den Empfindlichkeitsniveau des Hydrophons im Niederfrequenzband so hoch wie möglich und die Schwankungen so klein wie möglich zu gestalten. Die in der Simulationsanalyse der kontrollierten Variablenmethode verwendeten Variablen sind: 1) die Materialeigenschaften der drei laminierten Metallscheiben; 2) das Verhältnis des PZT -Radius zum Metallblechradius; 3) das Verhältnis der PZT -Dicke zur Dicke des Metallblechs; 4) Die Dicke der drei laminierten Blätter gleicher Dicke im Vergleich zum Radius.

2.3.1 Arten von PZT und Arten von Metallblättern

Ändern Sie die Art der Metallscheibe in der Mitte der drei Laminationen und erhalten Sie die Anti-Resonanzfrequenz und erhalten die Empfindlichkeitsniveau-Kurve des Hydrophons in Wasser durch Simulationsberechnung. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Abbildung 6 dargestellt.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass der junge Modul des ausgewählten Metalls allmählich zunimmt, die Anti-Resonanzfrequenz des Hydrophons allmählich zunimmt. Aus Abb. 6 ist ersichtlich, dass der Empfindlichkeitsniveau des Niederfrequenzbandes des Hydrophons allmählich abnimmt, wenn der junge Modul des Metallblechs allmählich zunimmt.

2.3.2 Verhältnis des PZT -Radius zu Metallblechradius

Halten Sie die Dicke der PZT und des Zwischenmetallblechs unverändert und nehmen Sie den Radius des Zwischenmetallblechs als 20 mm. Wenn sich nur der PZT-Radius verändert, sind die Hydrophon-Anti-Resonanz-Frequenz und die Empfangskurven des Empfindlichkeitsniveaus im Wasser in den Abbildungen 7 und 8 dargestellt.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Radius des PZT die Anti-Resonanzfrequenz des Hydrophons im Wasser allmählich nimmt, und wenn es sich 20 mM nähert, nimmt die Anti-Resonanzfrequenz kaum zu. Abbildung 8 zeigt, dass der Empfindlichkeitsniveau des Hydrophons im Niederfrequenzband allmählich abnimmt, wenn der PZT -Radius größer wird, aber der Abnahmegrad nicht groß ist und die Schwankungen flacher sind. 2.3.3 Das Verhältnis der PZT -Dicke zur Metalldicke hält PZT und der Radius des Mittelmetallblechs unverändert. Die Dicke des Mittelmetallblechs beträgt 1 mm und nur die PZT -Dicke wird verändert. Die Anti-Resonanz-Frequenz und die Empfangsempfindlichkeitsniveauskurve des Hydrophons in Wasser sind in Abbildung 9 und 10 dargestellt.

Aus Abbildung 9 ist ersichtlich, dass mit zunehmender Dicke der PZT die anti-resonante Frequenz des Hydrophons in Wasser allmählich zunimmt. Wenn es die gleiche Dicke wie das Metallblech von 1 mm erreicht, erreicht die Anti-Resonanzfrequenz das Maximum und die PZT-Dicke nimmt weiter zu. Die Anti-Resonanzfrequenz des Hydrophons nimmt stattdessen ab. Aus Abbildung 10 (a) ist ersichtlich, dass mit zunehmender Dicke der PZT von 0,2 mm auf 0,5 mm steigt, das Empfindlichkeitsniveau des Hydrophons im Niederfrequenzband allmählich zunimmt und die Schwankungen flacher werden. Wenn jedoch die Dicke von PZT 0,4 mm beträgt, ist die Situation besonders und der Empfindlichkeitsniveau des Niederfrequenzbandes plötzlich abnimmt. Aus Fig. 10 (b) ist ersichtlich, dass wenn die Dicke von PZT von 0,5 mm auf 1,5 mm steigt, die niedrige Frequenzempfindlichkeit des Hydrophons der Niveau allmählich abnimmt und die Schwankung nahezu unverändert ist.

2.3.4 Verhältnis der Dicke zu Radius von drei laminierten Blättern gleicher Dicke

Wenn die Dicke des Metallblechs in der mittleren Schicht der Dicke der PZT entspricht, ist der äquivalente elektromechanische Kopplungskoeffizient des Dreilag-Blattes der größte. Als nächstes wird der Einfluss des Verhältnisses von Dicke zu Radius des Dreilag-Blattes mit gleicher Dicke auf den Unterwasserbetrieb des Hydrophons analysiert. Halten Sie die Dicke und den Radius der drei laminierten Metallblätter gleicher Dicke unverändert, der PZT -Radius unverändert, halten Sie die PZT und die Metalldicke gleich und ändern Sie nur die Dicke des PZT (Metallblech). Wie in den Abbildungen 11 und 12 gezeigt.

Aus Abbildung 11 ist ersichtlich, dass mit zunehmender Dicke des PZT (Metallblechs) die anti-resonante Frequenz im Wasser des Hydrophons allmählich zunimmt. In Abbildung 12 nimmt die Empfindlichkeitsniveau des Hydrophons im Niederfrequenzband allmählich ab und die Schwankungen werden allmählich kleiner.

2.3.5 Regelmäßigkeitsanalyse

Das im obige Optimierungsprozess erhaltene Antwortänderungsgesetz kann wie folgt zusammengefasst werden: 1) Wenn der Jungmodul der Mittelmetallscheibe allmählich zunimmt, die Anti-Resonanzfrequenz vonUnterwasserkommunikationshydrophonAllmählich wird größer und das Empfindlichkeitsniveau des Niederfrequenzbandes wird kleiner und schwankt. 2) Wenn das Verhältnis des PZT zu dem Metallblech-Radius größer wird, wird die anti-resonante Frequenz des Hydrophons in Wasser größer, der Empfindlichkeitsniveau des Niederfrequenzbandes nimmt ab und die Fluktuation wird kleiner; 3) Wenn das Verhältnis der PZT-Dicke zur Metallblechdicke größer wird Der Empfindlichkeitsniveau nimmt zuerst zu und nimmt dann ab und erreicht den Peak in einem Verhältnis von etwa 0,5, und die niederfrequenten Schwankungen nehmen allmählich ab. 4) usw. im dicken dreifachen Laminat, da das Verhältnis der Dicke zum Radius des PZT (Metallblech) größer wird, wird die Anti-Resonanzfrequenz des Hydrophons in Wasser größer, der Empfindlichkeitsniveau in der Niederfrequenz Band wird kleiner und die Schwankung wird kleiner. Je größer die Wandlergröße ist, desto kleiner ist seine Resonanzfrequenz und die grundlegende Resonanzfrequenz des Hydrophons mit zunehmender PZT -Radius oder -dicke. Dies liegt daran, dass das Hydrophon drei die Biegeschwingungsmodus des laminierten Blattes verwendet. Der Haupteinflussfaktor dieses Schwingungsmodus ist die Steifheit des Triplex. Wenn der PZT -Radius oder die PZT -Dicke zunimmt, wird die Steifheit des gesamten Triplex größer, so Die Höhe des in der Mitte des Hydrophons geklemmten Metallrings ist viel kleiner als der Durchmesser des dreischichtigen Blattes und beteiligt sich nicht an der Biegevibration des dreischichtigen Blattes, sodass der Einfluss auf das Hydrophon klein ist .

2.4 Endergebnis

Nach dem oben genannten Einflussgesetz durch strukturelle Optimierung und unter Berücksichtigung der Schwierigkeit des tatsächlichen Produktionsprozesses der verschiedenen Teile des Hydrophons werden die Größenparameter der verschiedenen Teile des Hydrophons schließlich wie in Tabelle 2 gezeigt bestimmt. Verwenden Sie die COMSOL -Software, um die Impedanzkurve des Hydrophons im Wasser zu simulieren und zu berechnen. Die Anti-Resonanzfrequenz beträgt 5,2 kHz, wie in Abbildung 13 dargestellt.

Verwenden Sie die COMSOL -Software, um das Empfindlichkeitsniveau des Hydrophons im Frequenzbereich von 100 Hz bis 6 kHz zu simulieren und zu berechnen, wie in Abbildung 14 gezeigt.

Verwenden der COMSOL -Software zum Simulieren und Berechnen des Empfindlichkeitsniveaus des Hydrophons im Frequenzbereich von 100 Hz bis 6 kHz, wie in Abbildung 14 gezeigt.

In der Niederfrequenzbande 100 Hz ~ 2,5 kHz beträgt der Empfindlichkeitsniveau des Hydrophons etwa –178 dB und die Schwankung weniger als 3 dB, wie in Abbildung 15 gezeigt. Wenn die Wellenlänge der Schallwelle viel größer ist als Die maximale lineare Skala des Wandlers, der Wandler, hat keine Richtlinie. In der Arbeitsfrequenzbande des Hydrophons ist die minimale Wellenlänge, bei der die Schallwellenfrequenz 2,5 kHz beträgt, 0,6 m, was größer als die maximale Größe des Hydrophons um 0,045 m ist Schallwellen.

3 Produktion und Test von Hydrophon

Gemäß den endgültigen Strukturparametern des durch COMSOL optimierten Hydrophons wurden die strukturellen Komponenten verarbeitet und der Hydrophonprototyp wurde hergestellt, wie in Abbildung 16 gezeigt. Nach dem Blumenerium beträgt der Durchmesser des Hydrophons 45 mm und die Dicke 12 mm.

Der Leistungstest von Hydrophon wurde in einem anechoischen Pool, die Größe des Pools durchgeführt . Das Impulssignalübertragung wird angewendet, und der Abstand zwischen dem Sendeschallwander und dem Standardhydrophon beträgt 1,5 m (erfüllt den Zustand des Fernfeldes) und wird entlang der Länge des Pools mit einer hängenden Tiefe von 4 m platziert. Die Zulassungskurve im Wasser des Prototyphydrophons wird schließlich wie in Abbildung 17 dargestellt.

Aus Abbildung 17 ist ersichtlich, dass die Anti-Resonanzfrequenz des Hydrophonprototyps 3,3 kHz beträgt. Aufgrund der Begrenzung der unteren Grenze der Schallwellenfrequenz, die der verwendete Übertragungswandler nur 500 -Hz -Schallwelle übertragen kann, beträgt die niedrigste Frequenz des Messwassers Empfindlichkeitsniveau -Kurve 500 Hz, wie in Abbildung 18 gezeigt.

Aus Abbildung 18 ist ersichtlich, dass im Frequenzband von 500 Hz ~ 2,5 kHz der Empfängerempfindlichkeitsniveau von Hydrophon höchstens –178 dB beträgt und die Schwankung weniger als 4 dB beträgt. Der Unterschied zwischen den Mess- und simulierten Ergebnissen der Anti-Resonanzfrequenz des Hydrophons ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen Äquivalente Schwingungsqualität des Hydrophons. Es ist schwierig, dieses viskoelastische Material auf der Comsol -Simulationssoftware zu simulieren. Die Montagegenauigkeit der Strukturteile und des Bindungsprozesses wird sich auch auf die Leistung des Hydrophons auswirken. Die beiden oben genannten Faktoren verursachen die Differenz zwischen den gemessenen Daten und dem Finite -Elemente -Simulationswert. . Vergleichen Sie die gemessenen Daten des Empfindungssensitivitätsniveaus im Frequenzband von 500 Hz ~ 2,5 kHz mit den Simulationsergebnissen, wie in Abbildung 19 dargestellt. In dieser Frequenzband als 4 dB. Die gemessenen Daten und der simulierte Wert des Trends sind gleich, und die gemessenen Daten schwanken etwas größer als der simulierte Wert.

In Bezug auf den Empfindungsempfindlichkeitstest des Hydrophons in verschiedenen Azimut wurden die axialen und radialen Empfindlichkeitsempfindlichkeitsniveaus des Hydrophons getestet. Die Testergebnisse sind in Abbildung 20 dargestellt. Das Empfindlichkeitsempfindlichkeitsniveau ist ungefähr gleich, und es kann berücksichtigt werden, dass das Hydrophon keine Direktivität im Arbeitsfrequenzband von 500 Hz ~ 2,5 kHz aufweist.

4. Fazit

1) Entwerfen und Erzeugen eines niederfrequenten Biegerhydrophons. Das Messhydrophon hat eine Empfindlichkeitsniveau von –178 dB im Frequenzband 500 Hz - 2,5 kHz, und die Schwankung beträgt weniger als 4 dB. 2.Das kleines, niederfrequentes Biegehydrophon hat die Eigenschaften des Empfangens von Schallwellen mit höherer Empfindlichkeit realisiert, was die Bedeutung für die Anwendung der Biegescheibenstruktur im Hydrophon hat.