Recherche sur l'hydrophone incurvé à basse fréquence

Afin de recevoir des ondes sonores à basse fréquence avec une sensibilité élevée, un hydrophone à la flexion à trois lamines double face a été étudié, appliquant le logiciel fini COMSOL à la conception de simulation et d'optimisation de l'hydrophone incurvé. L'influence de chaque partie sur le grade de sensibilité à la réception de l'hydrophone a été analysée pour fournir le schéma optimal. Enfin, nous avons produit un prototype d'hydrophone et l'avons testé dans l'eau. La taille maximale du prototype d'hydrophone était de 45 mm. Les résultats de l'expérience montrent que dans la plage de fréquences de réception de 500 Hz - 2,5 kHz, le grade de sensibilité à la pression de réception maximale était de -178 dB, ondulé moins de 4 dB. Le résultat de l'expérience est le même que celui de la simulation.

En tant quetransducteur acoustique sous-marinDispositif de réception du signal, un hydrophone de pression acoustique peut être utilisé pour capturer des changements subtils dans les signaux de pression acoustique sous-marine, générant une sortie de tension proportionnelle à la pression acoustique et convertir l'énergie sonore en signaux électriques faciles à observer, l'équipement clé pour le Le fonctionnement normal du système de sonar est un équipement indispensable et nécessaire dans la recherche acoustique sous-marine. Cependant, les hydrophones à basse fréquence existants et à haute sensibilité ont souvent une taille relativement grande. La structure du disque à trois efforts du transducteur, le mode de vibration de flexion domine la vibration, a les caractéristiques d'une faible fréquence de résonance, de petite taille, de structure simple, etc. Cependant, dans l'application du disque à trois piles, il est plus utilisé sur le transducteur de transmission ou l'hydrophone vectoriel, et moins sur l'hydrophone de la pression acoustique. L'inconvénient des hydrophones de flexion à basse fréquence est que la bande de fréquences de travail est très étroite, mais comme les hydrophones disponibles dans le commerce, la bande passante est très large, mais le niveau de sensibilité n'est pas élevé. S'il est nécessaire de recevoir des ondes sonores uniquement dans une bande basse fréquence spécifique, les laminations sont pliées l'hydrophone avec la structure structurée a l'avantage d'un niveau de sensibilité élevé et a sa valeur d'utilisation. Cet article a l'intention de concevoir un hydrophone incurvé à trois lamination, qui tire parti du petit point de résonance à faible taille du disque à trois lamination, et adopte la forme de conception de la connexion de deux disques à trois laminants supérieurs et inférieurs en parallèle et ajuste La fréquence fondamentale par optimisation de taille. La position du point de résonance est utilisée pour réaliser un hydrophone de petite taille avec une réponse de sensibilité élevée dans la bande basse fréquence.

1 La conception de l'hydrophone incurvé à trois lamines

Hydrophone de flexion à trois lamins, la partie médiane est un anneau métal Les disques de laminage sont connectés en série. Grâce à une connexion parallèle, cette structure peut faire vibrer l'hydrophone symétriquement et est facile à assembler et à fabriquer.

2 Simulation par éléments finis de l'hydrophone

COMSOL Multiphysics Simulation Logiciel à éléments finis, avec un module d'interaction acoustique-piézoélectrique, peut être utilisé pour analyser des problèmes multiphysiques tels que le couplage de la structure fluide dans l'onde plane ou le champ sonore d'onde sphérique, et peut simuler directement la scène de travail detransducteur d'hydrophonerecevoir des ondes sonores dans l'eau. Et peut extraire la tension correspondante de la surface en céramique piézoélectrique de l'hydrophone pour calculer la sensibilité à la réception. Cet article utilise le logiciel COMSOL pour analyser et concevoir l'hydrophone incurvé.

2.1 Modèle de simulation par éléments finis de l'hydrophone

Utilisez le logiciel de simulation COMSOL Multiphysics pour effectuer une analyse par éléments finis sur l'hydrophone conçu. Tout d'abord, établissez le modèle d'éléments finis de l'hydrophone et ignorez la couche de liaison entre la céramique piézoélectrique et le métal, la couche de liaison entre les métaux et le caoutchouc en polyuréthane en pot dans la couche la plus externe dans la modélisation. de l'hydrophone avec des fils d'électrode de colle et soudés, en choisissant le PZT-5 comme matériau en céramique piézoélectrique, choisissez la duratumin, le cuivre ou l'acier comme matériau du disque métallique moyen et choisissez le cuivre comme matériau pour l'anneau métallique moyen.

2.2 Recherche sur le mode de vibration de l'hydrophone

En utilisant le logiciel COMSOL pour analyser la fréquence caractéristique de l'hydrophone, vous pouvez obtenir intuitivement la fréquence caractéristique et le déplacement de vibration des différents modes de vibration de l'hydrophone. Le diagramme schématique comprend la position relative de chaque partie de l'hydrophone dans chaque mode de vibration. Ces résultats d'analyse aident à mieux comprendre le principe de travail de l'hydrophone. La vibration du mode de vibration de premier ordre d'un hydrophone d'une certaine taille. Ce mode de vibration est le mode lorsque l'hydrophone reçoit des ondes sonores.

2.3 Conception d'optimisation structurelle de l'hydrophone

Utilisation du logiciel COMSOL pour simuler et analyser les performances de travail de l'hydrophone dans l'eau. Vous pouvez établir directement une zone d'eau avec un rayon de 0,05 m autour de l'hydrophone, puis régler un champ de fond d'onde sonore plan avec une pression sonore de 1 pa dans la zone d'eau pour simuler le scénario de travail réel de l'hydrophone dans l'eau, le Le modèle sous-marine établi de l'hydrophone est illustré à la figure 4. Dans le cadre de l'analyse COMSOL, l'étape de recherche sélectionne le domaine de fréquence, de sorte que la réponse de l'ensemble du système linéaire lorsqu'elle est soumise à une excitation harmonique simple peut être analysée, et la tension excitée par L'hydrophone sous l'action des ondes sonores de différentes fréquences peut être calculée. Extraire ensuite la tension sur la surface en céramique piézoélectrique de l'hydrophone et calculez le niveau de sensibilité de réception correspondant de l'hydrophone à travers une formule. Étant donné que l'hydrophone fonctionne dans un état de circuit ouvert, le pic de la sensibilité à la réception de l'hydrophone est à sa fréquence anti-résonance et le niveau de sensibilité à la réception d'unhydrophone sous-marind'une certaine taille est simulé.

On peut voir à partir des résultats de la simulation que la courbe de niveau de sensibilité de réception de l'hydrophone avec cette structure est relativement plate dans la bande de basse fréquence. Ensuite, nous étudierons les changements dimensionnels de chaque partie de l'hydrophone, et l'effet de la fréquence anti-résonance et le niveau de sensibilité à basse fréquence de l'influence de l'hydrophone. Prendre les paramètres géométriques du PZT et des disques métalliques dans le tri-stack, et le type de matériaux métalliques sous forme de variables, le degré de taille et de fluctuation du niveau de sensibilité de la pression saine de l'hydrophone conçu dans la bande basse fréquence est considéré comme l'objectif et l'hydrophone est effectué. La conception optimisée de l'hydrophone s'efforce de rendre la pression saine recevant le niveau de sensibilité de l'hydrophone dans la bande basse fréquence aussi élevée que possible et les fluctuations aussi petites que possible. Les variables utilisées dans l'analyse de simulation de la méthode variable contrôlée sont: 1) les propriétés du matériau des trois disques métalliques laminés; 2) le rapport du rayon PZT au rayon de la feuille métallique; 3) le rapport de l'épaisseur de PZT à l'épaisseur de la feuille métallique; 4) L'épaisseur des trois feuilles laminées d'épaisseur égale par rapport au rayon.

2.3.1 Types de PZT et de types de feuilles de métal

Modifiez le type de disque métallique au milieu des trois laminations et obtenez la fréquence anti-résonance et la courbe de niveau de sensibilité de la réception de l'hydrophone dans l'eau par calcul de simulation. Les résultats sont présentés dans les tableaux 1 et 6.

On peut voir dans le tableau 1 que lorsque le module du jeune du métal sélectionné augmente progressivement, la fréquence anti-résonante de l'hydrophone augmente progressivement. On peut voir sur la figure 6 que lorsque le module Young de la feuille métallique augmente progressivement, le niveau de sensibilité à la réception de la bande basse fréquence de l'hydrophone diminue progressivement.

2.3.2 Ratio du rayon PZT au rayon de la feuille métallique

Gardez l'épaisseur du PZT et de la feuille de métaux intermédiaires inchangées et prenez le rayon de la feuille de métaux intermédiaire comme 20 mm. Lorsque seul le rayon PZT est modifié, la fréquence anti-résonance hydrophone et les courbes de niveau de sensibilité à la réception dans l'eau sont représentées sur les figures 7 et 8.

On peut voir sur la figure 7 que lorsque le rayon du PZT augmente, la fréquence anti-résonante de l'hydrophone dans l'eau augmente progressivement, et lorsqu'il approche de 20 mm, la fréquence anti-résonante augmente à peine. La figure 8 montre que lorsque le rayon PZT devient plus grand, le niveau de sensibilité de réception de l'hydrophone dans la bande basse fréquence diminue progressivement, mais le degré de diminution n'est pas important et les fluctuations sont plus plates. 2.3.3 Le rapport de l'épaisseur de PZT à l'épaisseur du métal maintient le PZT et le rayon de la feuille de métaux moyens inchangés. L'épaisseur de la feuille de métaux moyen est de 1 mm et seule l'épaisseur du PZT est modifiée. La fréquence anti-résonance et la courbe de niveau de sensibilité de la réception de l'hydrophone dans l'eau sont représentées sur les figures 9 et 10.

On peut voir sur la figure 9 que lorsque l'épaisseur du PZT augmente, la fréquence anti-résonante de l'hydrophone dans l'eau augmente progressivement. Lorsqu'il atteint la même épaisseur que la feuille métallique de 1 mm, la fréquence anti-résonante atteint le maximum et l'épaisseur du PZT continue d'augmenter. La fréquence anti-résonante de l'hydrophone diminue à la place. On peut voir de la figure 10 (a) que lorsque l'épaisseur du PZT augmente de 0,2 mm à 0,5 mm, le niveau de sensibilité de réception de l'hydrophone dans la bande basse fréquence augmente progressivement et les fluctuations deviennent plus plates. Cependant, lorsque l'épaisseur de PZT est de 0,4 mm, la situation est spéciale et le niveau de sensibilité à la réception de la bande basse fréquence diminue soudainement; À partir de la figure 10 (b), on peut voir que lorsque l'épaisseur de PZT augmente de 0,5 mm à 1,5 mm, la sensibilité à basse fréquence recevant de l'hydrophone diminue progressivement et la fluctuation est presque inchangée.

2.3.4 Rapport d'épaisseur au rayon de trois feuilles laminées d'épaisseur égale

Lorsque l'épaisseur de la feuille métallique dans la couche moyenne est la même que l'épaisseur du PZT, le coefficient de couplage électromécanique équivalent de la feuille à trois plis est le plus grand. Ensuite, l'influence du rapport épaisseur / rayon de la feuille à trois plis d'épaisseur égale sur le fonctionnement sous-marine de l'hydrophone est analysée. Gardez l'épaisseur et le rayon des trois feuilles métalliques laminées d'épaisseur égale inchangées, le rayon PZT inchangé, gardez le PZT et l'épaisseur du métal de la même manière, et ne changez que l'épaisseur du PZT (feuille de métaux). Comme le montrent les figures 11 et 12.

On peut voir sur la figure 11 que lorsque l'épaisseur du PZT (feuille métallique) augmente, la fréquence anti-résonante dans l'eau de l'hydrophone augmente progressivement. Dans la figure 12, à mesure que l'épaisseur de la PZT (feuille métallique) augmente progressivement, le niveau de sensibilité de réception de l'hydrophone dans la bande basse fréquence diminue progressivement et les fluctuations deviennent progressivement plus petites.

2.3.5 Analyse de la régularité

La loi sur le changement de réponse obtenu dans le processus d'optimisation ci-dessus peut être résumé comme suit: 1) À mesure que le module du jeune du disque métallique moyen augmente progressivement, la fréquence anti-résonante deHydrophone des communications sous-marinesDevient progressivement et le niveau de sensibilité de réception de la bande basse fréquence devient plus petit et fluctue. 2) À mesure que le rapport du PZT au rayon de la feuille métallique devient plus grand, la fréquence anti-résonante de l'hydrophone dans l'eau devient plus grande, le niveau de sensibilité de réception de la bande basse fréquence diminue et la fluctuation devient plus petite; 3) À mesure que le rapport de l'épaisseur de PZT à l'épaisseur de la feuille de métaux devient plus gros Le niveau de sensibilité augmente d'abord puis diminue, atteignant le pic à un rapport d'environ 0,5, et les fluctuations à basse fréquence diminuent progressivement; 4) etc. Dans le triple stratifié épais, à mesure que le rapport de l'épaisseur du rayon du PZT (feuille de métaux) devient plus grand, la fréquence anti-résonante de l'hydrophone dans l'eau devient plus grande, le niveau de sensibilité à la réception à basse fréquence La bande devient plus petite et la fluctuation devient plus petite. En général, plus la taille du transducteur est grande, plus sa fréquence de résonance est petite et la fréquence de résonance fondamentale de l'hydrophone augmente avec l'augmentation du rayon ou de l'épaisseur PZT. En effet, l'hydrophone utilise trois le mode de vibration de flexion de la feuille laminée. Le principal facteur d'influence de ce mode de vibration est la rigidité du triplex. Lorsque le rayon ou l'épaisseur PZT augmente, la rigidité de l'ensemble du triplex devient plus grande, de sorte que la résonance du mode de vibration de flexion triplex, la fréquence deviendra plus grande, ce qui rend la fréquence de résonance de l'hydrophone plus grand. La hauteur de l'anneau métallique serré au milieu de l'hydrophone est beaucoup plus petite que le diamètre de la feuille à trois couches, et il ne participe pas à la vibration de flexion de la feuille à trois couches, donc l'impact sur l'hydrophone est petit .

2.4 Résultat final

Selon la loi d'influence susmentionnée par l'optimisation structurelle et en tenant compte de la difficulté du processus de production réel des différentes parties de l'hydrophone, les paramètres de taille des différentes parties de l'hydrophone sont finalement déterminés comme indiqué dans le tableau 2. Utilisez le logiciel COMSOL pour simuler et calculer la courbe d'impédance de l'hydrophone dans l'eau. La fréquence anti-résonante est de 5,2 kHz, comme le montre la figure 13.

Utilisez le logiciel COMSOL pour simuler et calculer le niveau de sensibilité de réception de l'hydrophone dans la plage de fréquences de 100 Hz à 6 kHz, comme le montre la figure 14.

Utilisation du logiciel COMSOL pour simuler et calculer le niveau de sensibilité de réception de l'hydrophone dans la plage de fréquences de 100 Hz à 6 kHz, comme le montre la figure 14.

Dans la bande basse fréquence 100 Hz ~ 2,5 kHz, le niveau de sensibilité de réception de l'hydrophone est d'environ -178 dB, et la fluctuation est inférieure à 3 dB, comme le montre la figure 15. lorsque la longueur d'onde de l'onde sonore est beaucoup plus grande que L'échelle linéaire maximale du transducteur, le transducteur n'a pas de directivité. Dans la bande de fréquence de travail de l'hydrophone, la longueur d'onde minimale lorsque la fréquence des ondes sonores est de 2,5 kHz est de 0,6 m, ce qui est plus grand que la taille maximale de l'hydrophone de 0,045 m, on peut considérer que l'hydrophone n'a pas de directivité lors de la réception les ondes sonores.

3 Production et tests de l'hydrophone

Selon les paramètres structurels finaux de l'hydrophone optimisés par COMSOL, les composants structurels ont été traités et le prototype d'hydrophone a été fabriqué, comme le montre la figure 16. Après le rempotage, le diamètre de l'hydrophone est de 45 mm et l'épaisseur est de 12 mm.

Le test de performance de l'hydrophone a été effectué dans une piscine anéchoïque, la taille de la piscine était de 25 m × 16 m × 10 m et la méthode de comparaison a été utilisée pour la mesure, et un hydrophone standard (B&K 8105) a été utilisé pour la mesure de comparaison . La transmission du signal d'impulsion est adoptée, et la distance entre le transducteur de transmission et l'hydrophone standard est de 1,5 m (satisfaisant la condition de champ lointain), et elle est placée sur la longueur de la piscine avec une profondeur suspendue de 4 m. La courbe d'admission dans l'eau de l'hydrophone prototype est finalement mesurée comme le montre la figure 17.

On peut voir sur la figure 17 que la fréquence anti-résonante du prototype d'hydrophone est de 3,3 kHz. En raison de la limitation de la limite inférieure de la fréquence des ondes sonores que le transducteur de transmission utilisé peut seulement transmettre une onde sonore de 500 Hz, la fréquence la plus basse de la courbe de niveau de sensibilité à la réception de l'eau est de 500 Hz, comme le montre la figure 18.

On peut voir sur la figure 18 que dans la bande de fréquences de 500 Hz ~ 2,5 kHz, le niveau de sensibilité du récepteur de l'hydrophone est au plus -178 dB, et la fluctuation est inférieure à 4 dB. La différence entre les résultats de mesure et simulées de la fréquence anti-résonante de l'hydrophone est principalement due au fait que la surface du prototype d'hydrophone est en pot avec une couche de caoutchouc de polyuréthane étanche avec une épaisseur de 2 mm, ce qui augmentera le Qualité de vibration équivalente de l'hydrophone. Il est difficile de simuler ce matériau viscoélastique sur le logiciel de simulation COMSOL. La précision d'assemblage des pièces structurelles et du processus de liaison aura également un certain impact sur les performances de l'hydrophone. Les deux facteurs ci-dessus provoquent la différence entre les données mesurées et la valeur de simulation par éléments finis. . Comparez les données mesurées du niveau de sensibilité de réception dans la bande de fréquences de 500 Hz ~ 2,5 kHz avec les résultats de simulation, comme le montre la figure 19. Dans cette bande de fréquence, le niveau de sensibilité à réception maximal mesuré est de -178 dB, et la fluctuation est moindre que 4 dB. Les données mesurées et la valeur simulée de la tendance sont les mêmes, et les données mesurées fluctue légèrement plus grande que la valeur simulée.

En ce qui concerne le test de sensibilité à la réception de l'hydrophone dans différents azimuts, les niveaux de sensibilité axiaux et radiaux de la sensibilité de l'hydrophone ont été testés respectivement. Les résultats des tests sont illustrés à la figure 20. Le niveau de sensibilité à la réception est à peu près le même, et on peut considérer que l'hydrophone n'a pas de directivité dans la bande de fréquence de travail de 500 Hz ~ 2,5 kHz.

4. Conclusion

1) Concevoir et produire un hydrophone de flexion à basse fréquence. L'hydrophone de mesure a un niveau de sensibilité à la réception de -178 dB dans la bande de fréquences 500 Hz - 2,5 kHz, et la fluctuation est inférieure à 4 dB. 2. L'hydrophone de flexion à basse fréquence de petite taille a réalisé les caractéristiques de la réception d'ondes sonores avec une sensibilité plus élevée, qui a une signification pour l'application de la structure du disque de flexion dans l'hydrophone.