文摘

水下传感器的有效的方法来降低其工作频率,拓宽带宽,并开发其小型化。根据多模耦合振动理论,一种新颖的混合传感器。有别于传统的混合传感器,改进点是低频振动由锯齿形压电控制部分和高频振动控制的一维磁致伸缩节。通过建立等效电路模型和有限元模型,传感器将预测的性能。分析表明,分析这种混合有限元法适用于水下传感器偏差在5%。相应的测试表明,混合的体积和重量传感器进行改进后急剧下降。这部小说混合传感器有一个明显的优势在低频率、带宽、和小型化。原型已经1.82 kHz和3.76 kHz的共振。它可以有效地用于1.5千赫至5 kHz的带宽。其主体外部直径54毫米。 The whole prototype is 235 mm long and weighs 2.61 kg.

1。介绍

与无线电波相比,声波仍然是最有效的方式实现检测、导航、和测距在水里。在这个过程中,水下传感器是不可或缺的电声设备,利用声学之间的某些物理效应来转换能源和电信号1]。等设备已经广泛的应用在许多领域,如水下探测、水下通信、海洋开发、收集科学数据记录在海底,在海洋石油行业和远程控制。一般来说,为了获得进一步的探测范围和可获得的信息越多,低频率的传感器的性能,广泛的带宽、高功率、小型化成为发展趋势(2]。特别是伴随着微电子和信息处理技术的提高,成为瓶颈问题是降低工作频率,拓宽带宽。在过去的几十年里,一些研究工作实现了突出效果。在2002年,一个三重共振宽带换能器制作在美国海军水下作战中心生成三共振在15到35千赫范围(3]。2009年,一个新的低频、宽带free-flooded压电水声换能器在陆等人的研究中取得了3 ~ 7赫兹的带宽内的波动6 dB (4]。在2011年,一个宽带弯曲伸张换能器设计的锅等人取得的带宽2.2 ~ 9千赫的波动内10 dB (5]。考虑到众多成就,多个共振技术仍然是最有效的方法之一,扩大操作带宽。在这里,我们将提出一个新颖的混合传感器可以满足低频的特点,广泛的带宽,和小型化。

2。Piezoelectric-Magnetostrictive混合传感器

混合传感器是一个纵向振动器复合酒吧一类的活动堆栈由压电陶瓷和超磁致伸缩材料在机械系列6]。它的主要组件包括三个质量负荷(即。,head mass, center mass, and tail mass) and two active stacks (i.e., piezoelectric section and magnetostrictive section). Generally, the piezoelectric section is made of thin piezoelectric ceramic rings in series between the head mass and center mass, and the magnetostrictive one consists of the magnetostrictive rod, permanent magnet, coil, magnetic return path, and so forth between the center mass and tail mass. Both sections should be tightened by prestressed bolts. Remarkably, the Hybrid transducer can be driven in two different ways. The piezoelectric stack is always voltage excited, while the magnetostrictive one is current excited [7]。当合适的夫妇之间的双模式发生振动,换能器的带宽将会扩大。这是最有利的一点。同时,这类传感器有一些独特的特性,如自调优、低工作频率、电声能量转换效率高(8]。所以它变成了一个共同的源应用于水下字段。

图1显示了混合传感器的示意图,它不同于经典的一个。压电活性的主要区别在于堆栈。一般来说,一个使用压电堆栈和纵向振动,压电堆栈可以控制频率越高,而磁致伸缩节可以控制频率越低。改善、字形结构将在压电代替单栏部分(见图1)。这样做的好处是,压电节将控制频率越低;在同一时间频率控制的磁致伸缩节仍将保持和之前一样没有任何改变。上述效应的原因在于锯齿形结构可以给一个明显的低频振动。锯齿形配置像折叠尺将充分利用空间的体积,然后将实现从一个特定的变换多次的有效长度基于纵向振动。纵向之间的合适的几张性小说的振动和弯曲振动的配置将有利于解决低频率之间的共存和水下传感器的小型化,这也是一个有效的方法来拓宽带宽和提高传输功率重量比。

3所示。混合换能器的等效电路模型

梅森曾首次在声纳换能器的等效电路模型9]。电机等效电路是一个等效表示使用某些电器元素代替机械或声学部分为一个复杂的系统。例如,我们可以使用电感,电阻、电容代表质量,抵抗,和遵从性(弹簧常数的倒数),分别使用武力的电压来表示,并使用当前代表速度(10,11]。这样一个等效电路特别有用,因为传感器总是连接到电器元件。它是最有效的方法来设计和估计传感器快速和方便。

在建模之前我们的混合传感器等效电路方法,一些假设被认为是根据其结构和应用程序如下:(1)由于可移动部件的大小是更小的尺寸与波长的材料相比,所有的弯曲振动将不考虑,包括辐射头的弯曲振动看起来像一个角和梁的弯曲振动压电部分组装。(2)所有的预应力螺栓将不予考虑。(3)所有的压电片粘在电气和机械系列平行。可以得出,一个轴向连接的薄酒吧将代替上面的堆栈(12]。(4)在压电陶瓷圆盘,考虑电场因为小的厚度,,而电场,,连接的方向是恒定的,即(是驱动电压)。(5)在磁致伸缩杆,考虑磁场强度磁场强度,,是恒定的。安培全电流定律给出了关系(是驱动电流)。

基于上述假设,由压电方程,压磁方程、几何方程和动力学方程,将获得的等效电路。图2说明了电路表示,每一个变量代表的意义如下:

相当于阻抗标以不同的下标,如“”和“”的某些组件混合传感器。

相当于当前贴上不同电路中的某些循环的下标。

是固定电容(在哪里是加强介电常数),,分别是,压电片的数量在不同的压电堆栈区。

是机电变压器匝比的压电部分(在哪里压电系数和吗是短路合规)。应注意的是在不同的地方不同的值。图2显示,②的地方,而①和③。上面的本质区别在于交错配置。将出现在一个压电堆栈的地方存在,而应该在的地方两个压电堆栈是平行的。

固定电感(在哪里是转身的数量吗是加强渗透系数)。

是机电变压器匝比的磁致伸缩部分(在哪里压磁系数和吗合规在恒定磁场)。

具体地说,每一个等效阻抗的等效电路可以写成: 的机械阻抗可以写成如下表示: 在哪里,,,,密度、声速、波数、长度的某些组件,分别和特定的截面面积。专门的辐射面积的头,和是它的喉部面积。在上面的陈述,下标”“代表辐射头”,“代表着压电陶瓷,“代表了梁”,“代表质量中心”,“代表磁致伸缩材料,和““代表了尾质量。

此外,和的辐射阻抗,脑袋和尾巴。考虑到低频率,将获得以下表示14]: 下标”“代表水介质和“”是辐射表面的半径。

根据图2电压和电流之间的关系,可以获得在基尔霍夫电压定律的基础。主要部件的材料和尺寸表中列出1。作为一个建议,这是一个适用的方式使用矩阵运算来解决上述问题。考虑 在哪里,,对等效阻抗矩阵表示法,电流和电压。

很明显,混合传感器可以通过两种不同的驱动方式,压电堆栈与电压兴奋和磁致伸缩与当前的兴奋。当传感器仅仅是由电压驱动的在压电部分虽然磁致伸缩节是开路,导纳曲线(包括电导和电纳)将获得水,见图3;另一方面,如果传感器仅仅是由当前驱动的在磁致伸缩部分虽然压电部分是开路,阻抗曲线(包括电阻和电抗)将获得水,见图4。所有的曲线表明,混合传感器2的共振。一个是1.55 kHz由压电控制部分,另一个是4.05 kHz由磁致伸缩控制部分。

4所示。有限元模型的混合传感器

有限元法(FEM)是一个最好的设计水下传感器的有效方法15),其活性物质是否压电或磁致伸缩。它是整个系统离散化的数值方法成有限元素。程序实现了方程支配这些元素的行为和解决它们,然后创建一个全面的解释系统如何作为一个整体。有限元法通常用于系统的设计和优化,由于它们的配置太复杂,规模,或手工控制方程来分析。与其他理论模型水下传感器相比,有限元法的大规模的假设是没有必要的。总之,有限元法时它成了另一种考虑模型的传感器配置复杂的或其边界条件是复杂的。

在这一分析过程中,有限元法需要处理结构和电场之间的交互。在水中时,流固对比也是必要的(16]。应用有限元离散化后,耦合的有限元矩阵方程(17)注册在有限元软件将用于处理上述两个对比的问题。

为electric-structure对比问题应用于压电分析压电节中,有限元法操作解决机械问题的控制方程线性材料在以下行为: 在哪里是节点位移向量,质量矩阵,阻尼矩阵,刚度矩阵,是节点力向量,它决定了分析类型(18]。

结合(5)、离散化后的有限元耦合的有限元矩阵方程对一个元素结构和电场模型如下: 在哪里是节点电势矢量,是压电耦合矩阵,是介质电导矩阵,然后呢是电力负荷向量。

同样,electric-structure对比问题应用于压磁分析压电节中,有限元法仍然运行相同的控制方程(5)和(6)的线性行为,但它是更复杂的。原因在于磁声压磁分析本质上的对比问题。所以我们需要做的是找到压电和压磁分析之间的类比,然后通过electric-structure有限元法可以处理压磁分析对比问题只在压电分析的替代变量(19]。表列出了相关变量的类比2。使用这些类比,压磁分析的耦合的有限元矩阵方程可以写成: 在哪里安匝磁致伸缩杆和吗磁通。

考虑到类比表2当传感器被当前的兴奋,的电压,激动人心的线圈中产生,换能器的阻抗可以写成: 在哪里夹紧的阻抗。

应该注意的是,磁致伸缩材料的线性行为被认为是在上面的压磁分析因为我们认为其振动诱发小电信号应该在其线性范围。类比的表2不适合的非线性研究磁致伸缩材料。

对于水声的流固对比问题分析,有限元法操作控制方程在以下(18]: 在哪里声压和吗是耦合的流固界面的质量矩阵,的上标”“代表流固界面;对于[),,上标”“代表水介质。

一旦获得了上述控制方程,合适的有限元的元素类型应确认,然后我们可以构建模型。对于我们的混合传感器,以下元素类型表中列出3就会被使用。

据表的定义1和3有限元模型见图5在多重物理量或已经建立ANSYS机械产品,这是一个最著名的商业有限元软件程序。考虑一个简单的模型和计算速度,不推荐一个整体模型。图5演示了一个1/4对称有限元模型。必要的自由度(自由度)定义了通过选择适当的元素类型和设置正确的选项(见表3)。和表1给出了主要部件的材料和大小。建模时,我们应该输入正确的材料属性定义的极化方向压电堆栈或磁致伸缩棒的偏置磁场方向沿轴对齐。要记住的一点是,输入订单必须遵循ANSYS标准(17),而不是IEEE标准(20.]。两个标准之间的转换(21]在ANSYS分析是必要的,因为大多数发表的输入顺序遵循IEEE标准引用。

在分析过程中,应该建立合适的分析类型实现我们感兴趣的分析目标。一般来说,可能的类型是静态分析,模态,预应力模态,谐波,预应力谐波、瞬态。静态分析可以用来确定预应力传感器时的压力和紧张。模态分析可用于确定操作传感器的固有频率和振型,也应用于预应力结构。谐响应分析给我们的图与频率的反应;导纳,带宽,效率,甚至可以获得辐射声场。整个预测水下传感器,包括机械、电气、和声学,将通过上述分析。

这里,在水中混合换能器的阻抗性能。图6显示了导纳曲线得到的单电压驱动,和图7显示了阻抗曲线获得单一当前驱动器。混合的两个主要的共振传感器1.88 kHz和3.77 kHz,分别。

5。测试和讨论

混合传感器原型已经根据上述设计制造。列出了详细的材料和尺寸表1和3。图8说明了原型。其主体外部直径54毫米。整个原型是235毫米长,重2.61公斤(没有房子和电缆)。

图9是导纳曲线得到的单电压驱动,和图吗10是阻抗曲线获得单一当前驱动器。从精密阻抗分析仪获得都是安捷伦4294 a。所有的曲线表明,该原型有两个共振,即1.82 kHz和3.76 kHz。

自驱动方式,如电压驱动或当前驱动器替代,我们的混合传感器很难估计其传输能力只有通过单一传输电压响应(TVR)或单一传输电流响应(TCR)。考虑到方便比较和其他类似的传感器,测试的范围内已完成1.5 ~ 5 kHz,马克斯TVR是124.5 dB在只有1.85 kHz的频率电压驱动压电部分在马克斯TCR 185.4 dB在只有3.5 kHz的频率电流驱动磁致伸缩节。一定的匝数682使得很高的马克斯TCR重要贡献;合适的偏置磁场的40 kA / m左右,大约10 MPa的预应力也是有益的。

比较见表4,MPT混合磁致伸缩/压电传感器开发的美国海军水下作战中心(NUWC) [22]。这两个混合传感器有相同的操作频率范围。根据比较,我们的传感器原型是60%的MPT长度,重量9%的MPT, MPT在横截面的10%。但我们传感器的最大发射声级小于MPT是因为他们的活性物质的体积有明显的不同。

6。结论

一种新颖的混合传感器。它的性能是通过等效电路的方法预测模型和有限元模型。分析结果和有限元法的测试结果表明,该方法适用于这类传感器及其分析结果是可信的。根据传感器原型设计主体外部直径54毫米。整个原型是235毫米长,重2.61千克。它有1.82 kHz和3.76 kHz的共振。它可以有效地用于1.5千赫至5 kHz的带宽。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是基础研究基金支持的中央大学(3102014 kyjd009)和国家重点实验室基金(9140 c230304140c23140)。