基于COMSOL的電化學(xué)水聽器幅頻特性數(shù)值仿真分析

摘" 要：針對(duì)水下聲波探測(cè)對(duì)低頻、高靈敏度電化學(xué)水聽器的需求，該文利用多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL仿真分析電化學(xué)水聽器敏感結(jié)構(gòu)流道長(zhǎng)度，陽極、陰極通孔直徑，陽極、陰極孔間隔對(duì)其頻率特性和靈敏度影響。仿真結(jié)果表明，流道長(zhǎng)度對(duì)水聽器的幅頻特性和靈敏度影響相對(duì)不明顯；隨著陰極通孔直徑的增大，水聽器靈敏度降低，而頻率特性變化相對(duì)不明顯；隨著陰極孔間隔的增大，水聽器靈敏度降低。上述結(jié)果為電化學(xué)水聽器的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)水聽器；流道長(zhǎng)度；通孔直徑；孔間隔；仿真分析

中圖分類號(hào)：TB565.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）32-0023-04

Abstract： In response to the need for low-frequency， high-sensitivity electrochemical hydrophones for underwater acoustic detection， this paper uses the multi-physical field coupling analysis software COMSOL to simulate and analyze the flow channel length of the electrochemical hydrophone sensing structure， the diameter of the anode and cathode through-holes， and the spacing between the anode and cathode holes on their frequency characteristics and sensitivity. The simulation results show that the channel length has relatively little influence on the amplitude-frequency characteristics and sensitivity of the hydrophone; with the increase of the diameter of the cathode through hole， the sensitivity of the hydrophone decreases， while the change of frequency characteristics is relatively insignificant; with the increase of the interval between the cathode holes， the sensitivity of the hydrophone decreases. The above results provide effective guidance for the optimal design of the structure and performance of electrochemical hydrophones.

Keywords： electrochemical hydrophone; channel length; through-hole diameter; hole spacing; simulation analysis

水聽器一般由聲壓水聲傳感器直接或間接測(cè)量振速的傳感器復(fù)合而成，能夠同時(shí)共點(diǎn)的測(cè)量水下聲標(biāo)量和矢量（聲壓梯度、質(zhì)點(diǎn)振速、加速度、位移或聲強(qiáng)等） 信息，且能夠抑制各向同性噪聲，更全面地獲得水下聲場(chǎng)信息的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)多目標(biāo)的探測(cè)[1-4]。近年來，隨著減振降噪技術(shù)水平的不斷提高，艦艇的輻射噪聲不斷降低，人們對(duì)水聲設(shè)備的弱信號(hào)和低頻信號(hào)的檢測(cè)能力都提出了更高的要求[5-8]。電化學(xué)檢測(cè)方式是一項(xiàng)國(guó)際上新興的檢測(cè)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于甚低頻振動(dòng)信號(hào)具有高靈敏度，結(jié)合同振型矢量水聲拾振結(jié)構(gòu)，可提升對(duì)水下目標(biāo)甚低頻被動(dòng)聲吶的探測(cè)信噪比，成為水聲探測(cè)新技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[9]。

本文利用COMSOL多物理場(chǎng)耦合分析軟件，從拾振及電化學(xué)轉(zhuǎn)化總體研究角度，建立了其傳遞函數(shù)的數(shù)值仿真模型，仿真分析了水聽器敏感芯片結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)性能的影響，為電化學(xué)水聽器設(shè)計(jì)及優(yōu)化，提供可參考的理論支撐。

1" 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

水聽器的檢測(cè)核心為敏感單元，本文設(shè)計(jì)的電化學(xué)水聽器敏感單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括4個(gè)按照陽極—陰極—陰極—陽極結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行排列的金屬電極，一對(duì)彈性薄膜和電解質(zhì)溶液。

工作時(shí)，電解質(zhì)溶液中的I（碘3離子），I（碘離子）會(huì)在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在電化學(xué)傳感器的反應(yīng)陰極反應(yīng)為氧化過程，即為碘3離子得電子轉(zhuǎn)化為碘離子，I+2e→3I。在電化學(xué)傳感器的反應(yīng)陽極反應(yīng)為還原過程，即為碘離子失電子轉(zhuǎn)化為碘3離子，I-2e→3I。靜態(tài)條件下，溶液內(nèi)離子擴(kuò)散效應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，此時(shí)采用差分跨阻放大器，傳感器輸出電壓為0，如圖2所示。

在有外界振動(dòng)輸入時(shí)，傳感器整體呈受迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)，為了擴(kuò)大測(cè)量帶寬抑制共振點(diǎn)幅度增益，通過調(diào)節(jié)溶液黏度、流阻等方法，增加溶液的阻尼比，使簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)工作過阻尼狀態(tài)。水聽器工作時(shí)，在離子對(duì)流和擴(kuò)散效應(yīng)的作用下，原始靜態(tài)條件下的陰極離子濃度平衡被打破，進(jìn)而兩對(duì)電極中出現(xiàn)與振動(dòng)速度成比例的離子濃度梯度變化，則其中一個(gè)陰極附近反應(yīng)離子濃度提高，而另一個(gè)陰極附近反應(yīng)離子濃度減少[10-11]，導(dǎo)致濃度高的一個(gè)陰極電流增加，而另一個(gè)陰極電流減小，則兩對(duì)電極的陰極電流差和兩陰極離子濃度變化呈線性關(guān)系，進(jìn)而可由兩陰極電流差作為振動(dòng)速度的測(cè)量量，此時(shí)采用差分跨阻放大電路將陰極電流差轉(zhuǎn)換成電壓，可作為傳感器的輸出值。

2" 理論分析

式中：py為有散射體存在時(shí)聲場(chǎng)的聲壓；pn為無散射體存在時(shí)聲場(chǎng)的聲壓。

式中：p（a，θ）為球面上任一點(diǎn)（a，θ）處聲壓，其表達(dá)式為

式中：a為同振球形矢量水聽器的半徑；k為波數(shù)；p0為入射波聲壓幅值。

經(jīng)簡(jiǎn)化為

Fx=Hp0 jka2π。

考慮到時(shí)間函數(shù)，x方向受力可表示為

F0=Fx ejωt。

由此可見，聲場(chǎng)中某一聲源產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)平面波，其傳播方向與x軸一致或相反時(shí)，其作用于矢量水聽器上的力只有x方向分量不為零，相當(dāng)于x方向的壓力差，y方向分量為零。

根據(jù)牛頓第二定律：當(dāng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，可以把水聽器看作與水質(zhì)點(diǎn)等效，體積、質(zhì)心相同，在傳播方向上質(zhì)點(diǎn)與水聽器受力相同，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)與水聽器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，則對(duì)于水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)Fx=max；對(duì)于水聽器Fx=m′a′x。當(dāng)矢量水聽器的等效密度與水介質(zhì)的密度或其他水聽器置于其中的某液體介質(zhì)的密度相等時(shí)，m=m′，則矢量水聽器x方向的位移（或加速度）一定等價(jià)于水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移（或加速度），因此可以跟隨水或其他液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣通過檢測(cè)水聽器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可檢測(cè)出水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[13-15]。

3" 仿真分析

電化學(xué)水聽器的核心元件是電化學(xué)敏感芯體。如圖4（a）所示，敏感芯體通過機(jī)械壓緊的方法被固定在有機(jī)玻璃中，由四層電極層疊而成，且四層電極按照陽極-陰極-陰極-陽極結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行排列，單層電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖4（b）所示。

利用多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL構(gòu)建如圖5所示的仿真模型示意圖，首先，分析流道長(zhǎng)度對(duì)電化學(xué)水聽器幅頻特性的影響，陰極孔直徑和陽極孔直徑均設(shè)置為0.16 mm，陽極和陰極間距設(shè)置為0.8 mm，流道長(zhǎng)度分別設(shè)置為3、5和6 mm。仿真結(jié)果可以看出，流道長(zhǎng)度可設(shè)置在4～6 mm，如圖6所示。

根據(jù)理論分析，電化學(xué)水聽器的頻率特性也與陽極和陰極的通孔直徑有關(guān)系，因此，對(duì)陽極和陰極通孔直徑對(duì)其頻率特性的影響進(jìn)行了仿真分析，設(shè)置芯片直徑10 mm，陽極和陰極間距均設(shè)置為0.8 mm，陽極孔直徑0.16 mm，陰極孔直徑設(shè)置為0.01、0.08、0.12、0.16和0.2 mm。得到的仿真結(jié)果如圖7所示，由圖7可知，隨著陰極通孔直徑的增大，傳感器的靈敏度降低。5條曲線基本平行，陰極通孔直徑對(duì)傳感器的頻率特性影響不大。考慮到在保持水聽器頻率特性的基礎(chǔ)上，盡量增大水聽器的靈敏度，由對(duì)熱噪聲的研究可知，減小陰極通孔直徑會(huì)增大傳感器的熱噪聲。考慮到增大傳感器靈敏性的同時(shí)盡量減小熱噪聲影響，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的陰極通孔直徑在0.08 mm（80 μm）左右為好。

為了研究陽極通孔直徑對(duì)頻率特性的影響，設(shè)置芯片的直徑10 mm，流道長(zhǎng)度5 mm，陽極和陰極間距均設(shè)置為0.8 mm，陽極孔直徑設(shè)置為0.01、0.08、0.12、0.16和0.2 mm。得到的仿真結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，陽極通孔直徑對(duì)靈敏度和頻率特性的影響不大，但是考慮到陽極通孔直徑越小，熱噪聲越低。為了在增大傳感器靈敏性的同時(shí)盡量減小熱噪聲影響，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的陽極通孔直徑在0.08 mm（80 μm）左右較為合適。

本文進(jìn)一步研究了陽極和陰極孔間隔對(duì)水聽器性能的影響，設(shè)置敏感芯片直徑10 mm，流道長(zhǎng)度5 mm，陰極孔直徑0.16 mm，陽極和陰極間隔0.8 mm，陽極孔間隔設(shè)置為0.01～0.2 mm，間隔0.05 mm。得到如圖9所示的仿真結(jié)果，從圖9中可以看出，陽極孔間隔對(duì)水聽器的影響可以忽略不計(jì)。

在其他參數(shù)設(shè)置不變的情況下，設(shè)置陽極孔間隔為0.8 mm，陰極孔間隔設(shè)置為0.01～0.2 mm，間隔0.05 mm，得到陰極孔間隔對(duì)水聽器性能的影響如圖10所示，仿真結(jié)果表明隨著陰極孔間距的增加，水聽器靈敏度降低，但不同陰極孔間距對(duì)頻率特性影響不大。

4" 結(jié)論

本文建立了一種電化學(xué)水聽器的數(shù)值仿真模型。利用多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL仿真分析了電化學(xué)水聽器敏感芯片尺寸對(duì)其頻率特性的影響，分析結(jié)果表明，敏感芯片流道長(zhǎng)度對(duì)水聽器的幅頻特性和靈敏度影響不明顯；隨著陰極通孔直徑的增大，水聽器靈敏度降低，但是頻率特性沒有明顯變化；隨著陰極孔間隔的增大，水聽器靈敏度降低。本文的研究結(jié)果為電化學(xué)水聽器的研究與制作提供了參數(shù)依據(jù)。

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