基于COMSOL的电化学水听器幅频特性数值仿真分析

摘" 要：针对水下声波探测对低频、高灵敏度电化学水听器的需求，该文利用多物理场耦合分析软件COMSOL仿真分析电化学水听器敏感结构流道长度，阳极、阴极通孔直径，阳极、阴极孔间隔对其频率特性和灵敏度影响。仿真结果表明，流道长度对水听器的幅频特性和灵敏度影响相对不明显；随着阴极通孔直径的增大，水听器灵敏度降低，而频率特性变化相对不明显；随着阴极孔间隔的增大，水听器灵敏度降低。上述结果为电化学水听器的结构和性能优化设计提供有效指导。

关键词：电化学水听器；流道长度；通孔直径；孔间隔；仿真分析

中图分类号：TB565.1" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

水听器一般由声压水声传感器直接或间接测量振速的传感器复合而成，能够同时共点的测量水下声标量和矢量（声压梯度、质点振速、加速度、位移或声强等） 信息，且能够抑制各向同性噪声，更全面地获得水下声场信息的特点，实现远场多目标的探测[1-4]。近年来，随着减振降噪技术水平的不断提高，舰艇的辐射噪声不断降低，人们对水声设备的弱信号和低频信号的检测能力都提出了更高的要求[5-8]。电化学检测方式是一项国际上新兴的检测技术，其优势在于甚低频振动信号具有高灵敏度，结合同振型矢量水声拾振结构，可提升对水下目标甚低频被动声呐的探测信噪比，成为水声探测新技术研究的一个热点[9]。

本文利用COMSOL多物理场耦合分析软件，从拾振及电化学转化总体研究角度，建立了其传递函数的数值仿真模型，仿真分析了水听器敏感芯片结构及参数对性能的影响，为电化学水听器设计及优化，提供可参考的理论支撑。

1" 基本结构与工作原理

水听器的检测核心为敏感单元，本文设计的电化学水听器敏感单元结构如图1所示。主要包括4个按照阳极—阴极—阴极—阳极结构方式进行排列的金属电极，一对弹性薄膜和电解质溶液。

工作时，电解质溶液中的I（碘3离子），I（碘离子）会在电极表面发生氧化还原反应。在电化学传感器的反应阴极反应为氧化过程，即为碘3离子得电子转化为碘离子，I+2e→3I。在电化学传感器的反应阳极反应为还原过程，即为碘离子失电子转化为碘3离子，I-2e→3I。静态条件下，溶液内离子扩散效应达到动态平衡后，此时采用差分跨阻放大器，传感器输出电压为0，如图2所示。

在有外界振动输入时，传感器整体呈受迫简谐振动，为了扩大测量带宽抑制共振点幅度增益，通过调节溶液黏度、流阻等方法，增加溶液的阻尼比，使简谐振动系统工作过阻尼状态。水听器工作时，在离子对流和扩散效应的作用下，原始静态条件下的阴极离子浓度平衡被打破，进而两对电极中出现与振动速度成比例的离子浓度梯度变化，则其中一个阴极附近反应离子浓度提高，而另一个阴极附近反应离子浓度减少[10-11]，导致浓度高的一个阴极电流增加，而另一个阴极电流减小，则两对电极的阴极电流差和两阴极离子浓度变化呈线性关系，进而可由两阴极电流差作为振动速度的测量量，此时采用差分跨阻放大电路将阴极电流差转换成电压，可作为传感器的输出值。

2" 理论分析

式中：py为有散射体存在时声场的声压；pn为无散射体存在时声场的声压。

式中：p（a，θ）为球面上任一点（a，θ）处声压，其表达式为

式中：a为同振球形矢量水听器的半径；k为波数；p0为入射波声压幅值。

经简化为

Fx=Hp0 jka2π。

考虑到时间函数，x方向受力可表示为

F0=Fx ejωt。

由此可见，声场中某一声源产生的远场平面波，其传播方向与x轴一致或相反时，其作用于矢量水听器上的力只有x方向分量不为零，相当于x方向的压力差，y方向分量为零。

根据牛顿第二定律：当满足远场条件时，可以把水听器看作与水质点等效，体积、质心相同，在传播方向上质点与水听器受力相同，介质质点与水听器运动状态相同，则对于水介质质点Fx=max；对于水听器Fx=m′a′x。当矢量水听器的等效密度与水介质的密度或其他水听器置于其中的某液体介质的密度相等时，m=m′，则矢量水听器x方向的位移（或加速度）一定等价于水介质质点的位移（或加速度），因此可以跟随水或其他液体质点的运动状态，这样通过检测水听器的运动状态可检测出水介质质点的运动状态[13-15]。

3" 仿真分析

电化学水听器的核心元件是电化学敏感芯体。如图4（a）所示，敏感芯体通过机械压紧的方法被固定在有机玻璃中，由四层电极层叠而成，且四层电极按照阳极-阴极-阴极-阳极结构方式进行排列，单层电极的结构设计示意图如图4（b）所示。

利用多物理场耦合分析软件COMSOL构建如图5所示的仿真模型示意图，首先，分析流道长度对电化学水听器幅频特性的影响，阴极孔直径和阳极孔直径均设置为0.16 mm，阳极和阴极间距设置为0.8 mm，流道长度分别设置为3、5和6 mm。仿真结果可以看出，流道长度可设置在4～6 mm，如图6所示。

根据理论分析，电化学水听器的频率特性也与阳极和阴极的通孔直径有关系，因此，对阳极和阴极通孔直径对其频率特性的影响进行了仿真分析，设置芯片直径10 mm，阳极和阴极间距均设置为0.8 mm，阳极孔直径0.16 mm，阴极孔直径设置为0.01、0.08、0.12、0.16和0.2 mm。得到的仿真结果如图7所示，由图7可知，随着阴极通孔直径的增大，传感器的灵敏度降低。5条曲线基本平行，阴极通孔直径对传感器的频率特性影响不大。考虑到在保持水听器频率特性的基础上，尽量增大水听器的灵敏度，由对热噪声的研究可知，减小阴极通孔直径会增大传感器的热噪声。考虑到增大传感器灵敏性的同时尽量减小热噪声影响，本项目设计的阴极通孔直径在0.08 mm（80 μm）左右为好。

为了研究阳极通孔直径对频率特性的影响，设置芯片的直径10 mm，流道长度5 mm，阳极和阴极间距均设置为0.8 mm，阳极孔直径设置为0.01、0.08、0.12、0.16和0.2 mm。得到的仿真结果如图8所示，从图8中可以看出，阳极通孔直径对灵敏度和频率特性的影响不大，但是考虑到阳极通孔直径越小，热噪声越低。为了在增大传感器灵敏性的同时尽量减小热噪声影响，本项目设计的阳极通孔直径在0.08 mm（80 μm）左右较为合适。

本文进一步研究了阳极和阴极孔间隔对水听器性能的影响，设置敏感芯片直径10 mm，流道长度5 mm，阴极孔直径0.16 mm，阳极和阴极间隔0.8 mm，阳极孔间隔设置为0.01～0.2 mm，间隔0.05 mm。得到如图9所示的仿真结果，从图9中可以看出，阳极孔间隔对水听器的影响可以忽略不计。

在其他参数设置不变的情况下，设置阳极孔间隔为0.8 mm，阴极孔间隔设置为0.01～0.2 mm，间隔0.05 mm，得到阴极孔间隔对水听器性能的影响如图10所示，仿真结果表明随着阴极孔间距的增加，水听器灵敏度降低，但不同阴极孔间距对频率特性影响不大。

4" 结论

本文建立了一种电化学水听器的数值仿真模型。利用多物理场耦合分析软件COMSOL仿真分析了电化学水听器敏感芯片尺寸对其频率特性的影响，分析结果表明，敏感芯片流道长度对水听器的幅频特性和灵敏度影响不明显；随着阴极通孔直径的增大，水听器灵敏度降低，但是频率特性没有明显变化；随着阴极孔间隔的增大，水听器灵敏度降低。本文的研究结果为电化学水听器的研究与制作提供了参数依据。

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