Optimale ontwerp van sferiese dop van ko-vibrasie vektor hidrofoon(2)

Die vorm van die hidrofoon is 'n standaard sferiese vorm akoestiese transducer . Die sferiese dop van die hidrofoon bestaan ​​uit boonste en onderste hemisfere. Die buitenste radius van die twee hemisfere is 36 mm, die wanddikte van die onderste halfrond is 3 mm, en die wanddikte van die boonste halfrond is 4 mm. 'n Rubber O-ring word gebruik vir aksiale verseëling in die middel. Om die kwaliteit van die nie-drukdraende deel van die dop tot die minimum te beperk, word 'n Amerikaanse standaard O-ring wat dunner as die nasionale standaard is gekies om die breedte van die O-ring installasiegroef te verminder. Die boonste en onderste hemisfere word deur die drade op die sferiese dop vasgemaak, sodat dit nie nodig is om die installasieposisie van die bevestigingsboute te verhoog nie, en dit is ook om die nie-drukdraende deel van die dop so klein as moontlik te maak. Omdat die boonste en onderste hemisfere met drade vasgemaak is, is die belyningsposisie van die twee hemisfere ewekansig wanneer dit vasgedraai word. Daarom is 4 veerveringgate eweredig versprei in die middel van die buitenste oppervlak van die sferiese dop in plaas van twee simmetries versprei op die twee halfronde skulpe. Lusveerveringgat. Maak die onderste halfrond 'n bietjie groter en die boonste halfrond 'n bietjie kleiner, sodat al die veerveringgate in die middel op die onderste halfrond geleë is. Die vibrasie-optelsensor gebruik 'n drie-as piëso-elektriese versnellingsmeter. Die versnellingsmeter word in die middel van die sferiese dop deur 'n hakie geïnstalleer, en die seinkondisioneringskring is aan die ander kant van die hakie geïnstalleer. Let daarop dat hierdie 'sentrum' ook in die onderste hemisferiese dop geleë is, sodat wanneer die twee hemisfere styfgetrek word, maak nie saak wat die hoek tussen die boonste en onderste hemisfere is nie, dit nie die belyning van die versnellingsmeter met die rigting van die ophanggat sal beïnvloed nie. Nadat die samestelling voltooi is, moet die swaartepunt van die hele vektorhidrofoon saamval met die middel van die sferiese dop onderwater akoestiese transducer soveel as moontlik. Die posisie van die swaartepunt van die hidrofoon in Figuur 1 word outomaties deur die 3D-modelleringsagteware bereken, en dit is by die geometriese middelpunt van die vektorhidrofoon geleë. Die swak area van die ontwerpte drukbestande sferiese dop is die verbinding tussen die O-ringgroef en die sferiese dop en die opening van die deursteekdeel. Vir die verbinding tussen die O-ringgroef en die sferiese dop, voeg 'n groot filet by om die oorgang glad te maak om streskonsentrasie te verminder. Vir die opening van die deursteekdeel, aan die een kant, verhoog die dikte van die gatwand om die sterkte van die gatwand te verhoog, aan die ander kant, voeg groot ronde hoeke by by die oorgang tussen die gatwand en die binneoppervlak van die sferiese dop, en by die oorgang tussen die gatwand en die buitenste oppervlak van die sferiese dop Verhoog die oorgang en spanning verminder die konsentrasie van die materiaal om glad te maak. Ten einde te kompenseer vir die kragverminderingsprobleem wat veroorsaak word deur die opening van die boonste halfronde dop, is die dikte van die boonste halfronde dop as geheel met 1 mm verhoog. Boonop het die drukbestande staalboute wat gebruik word om deur die pakhuis te ry, hoër sterkte, gelykstaande aan soliede boute, en ondersteun die skroefdraadgate.

 

4.5 Werksverrigtingsimulasie van drukbestande dop van vektorhidrofoon

Dit kan uit Figuur 1 gesien word dat die ontwerpte drukbestande sferiese dop van die vektorhidrofoon nie meer 'n ideale sferiese dop is nie. Die grootste impak op die drukbestande werkverrigting is die opening van 'n groter draadgat in die boonste halfrond. Die invloed van die gat het die dikte van die boonste halfrond met 1 mm vergroot. Hierdie veranderinge is nie teoreties bereken nie. Die volgende gebruik die metode van eindige element analise om strukturele statiese simulasie en eiewaarde knik simulasie uit te voer op die driedimensionele model van die vektor hidrofoon sferiese dop om te verifieer of die ontwerpte vektor hidrofoon 'n eksterne druk van 30 MPa kan weerstaan. Die eindige element simulasie sagteware wat gebruik word, is ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Strukturele statiese simulasie

Voer die driedimensionele digitale model van die in vektor hidrofoon sferiese dop in die eindige element simulasie sagteware, stel die dop materiaal op 7075T6 aluminium legering, en stel die kontak modus tussen die boonste dop en die prop en tussen die boonste en onderste skulpe om te bind af , Die heksaëder metode word gebruik om die model te maas, die maas grootte is ingestel op 'n buig funksie, en die maksimum grootte is gestel op 0.8 mm. Die verplasings in die x-, y- en z-rigtings word op 0 op die boonste oppervlak van die prop gestel om die translasie van die model te beperk; 'n silindriese oppervlakbeperking word op die buitenste silindriese oppervlak van die prop gestel, en die tangensiële rigting is vas om die rotasie en rotasie van die model te beperk. Aksiaal en radiaal vry; pas 'n druklas van 30 MPa toe op alle buitenste oppervlaktes van die hidrofoondop (insluitend die binneoppervlak van die O-ringgroef), en voer strukturele statiese analise daarop uit. Die spanningsintensiteitverspreiding van die hidrofoondop wat deur simulasie verkry word, word in Figuur 2 getoon. Die spanningsintensiteit word vir analise geselekteer omdat dit 'n ekwivalente spanning is gebaseer op die derde intensiteitsteorie, die resultaat is veiliger, en dit is geskik vir drukvatanalise.

Die spanningsintensiteit van die ringvormige bult wat veroorsaak word deur die O-ringgroef in die middel van die hidrofoondop (wat as 'n stywerende ribring beskou kan word) is klein; die spanningsintensiteitsimulasiewaarde van die middelste deel van die boonste en onderste hemisferiese skulpe van die hidrofoondop is die kleinste , Die waarde daarvan is minder as 202.7 MPa, sluit hier nie diskontinuïteit en spanningskonsentrasie in nie, dit kan beskou word as die primêre algehele filmspanningsintensiteit, volgens formule (6), die teorie van die primêre algehele filmspanning, die hoofspanning, die maksimum spanning (die hoofspanning van die film) Die berekende waarde is 187.8 MPa, wat basies ooreenstem met die simulasieresultate. Die spanningsintensiteit in die meeste areas van die binneoppervlakte van die boonste en onderste sferiese skulpe is relatief groot, en die waarde daarvan is minder as 243,2 MPa. Die spanning op hierdie punt behoort aan die primêre buigspanning en bereik die limiet van minder as 1,5 keer die toelaatbare spanning. Daar is 'n ringvormige groot spanningsone by die aansluiting van die onderste hemisferiese dop en die sentrale ringvormige uitsteeksel, die spanningsintensiteit is ongeveer 324.2 MPa, die spanning hier is die primêre spanning plus die sekondêre spanning, en die waarde daarvan is minder as 3 keer die toelaatbare spanning, wat aan die ontwerpvereistes voldoen. Daar is plaaslike spanningskonsentrasies op die plek waar die bokant van die boonste hemisferiese dop in kontak is met die prop en 'n paar plekke in die O-ringgroef. Die maksimum spanning is 405,2 MPa, wat behoort aan die primêre spanning plus die sekondêre spanning plus die piekspanning. Hierdie spanning sal nie affekteer nie. Die impak van kragonderbreking affekteer hoofsaaklik die moegheidsbreking van die drukdop. Daarom kan die sferiese dop van die vektorhidrofoon 'n eksterne druk van 30 MPa weerstaan ​​sonder kragonderbreking.

 

4.5.2 Eiewaarde kniksimulasie

Vervolgens word die druklas op die buitenste oppervlak van die hidrofoon sferiese dop model verander na 1 MPa, en die eiewaarde knik analise word uitgevoer op grond van die strukturele statiese analise resultate. Die totale vervorming van die eerste-orde knikmodus van die sferiese dop van die hidrofoon word in Figuur 3 getoon.

Uit Figuur 3 kan gesien word dat die vervorming hoofsaaklik in die onderste halfrond voorkom, want hoe dunner die sferiese dop, hoe slegter is die stabiliteit. Die eerste-orde kniklasfaktor is 680.35, dus is die simulasiewaarde van die kritieke onstabiliteitsdruk van die hidrofoon sferiese dop 680.35 MPa, wat effens hoër is as die omtrekonstabiliteit kritiese druk bereken deur die formule van 611.6 MPa. Daarom kan die sferiese dop van die vektorhidrofoon 'n eksterne druk van 30 MPa weerstaan ​​sonder stabiliteitsversaking.

 

4.6 Vektorhidrofoonproduksie

Die boonste en onderste hemisferiese skulpe van die vektor hidrofoonsensor word verwerk deur CNC-masjiengereedskap. Die materiaal is 7075-T6 aluminiumlegering, en die oppervlak is geanodiseer om 'n digte oksied beskermende film te vorm om oppervlak hardheid te verbeter en seewater korrosie te inhibeer. Die voltooide ko-vibrasie sferiese vektorhidrofoon word in Figuur 4 getoon. Na werklike meting is sy massa 274,7 g, en sy digtheid is 1,40 × 103 kg/m3. Die buitenste radius van die vektorhidrofoon is Ro=36 mm, en as vergelyking (4) vervang word, ondersteun die grootte van hierdie hidrofoon die boonste limiet van sy werkfrekwensie fmax=2653 Hz. Vir gemak van gebruik, rond die boonste limiet van sy werkfrekwensie af tot 3000 Hz. Op hierdie tydstip, kRo=0.45239, digtheidsverhouding 0r / r =1.40, vervang vergelykings (1) en (2) in vergelykings (1) en (2) om v/v0=0.77 te kry, die maksimum Die faseverskil is slegs 0.15 ° , wat aan die toepassingsvereistes voldoen.

 

5 Vektor hidrofoon werkverrigting toets

Om te kontroleer of die akoestiese werkverrigting en drukweerstand van die ontwerpte en vervaardigde ko-vibrasie sferiese vektorhidrofoon aan die vereistes voldoen, word die hidrofoonmonsters in die staande golfbuis geplaas vir sensitiwiteits- en rigtinggevoeligheidstoetse, en die statiese druktoets word in die outoklaaf uitgevoer.

 

5.1 Sensitiwiteitstoets

Die sensitiwiteit van die drie-as piëso-elektriese versnellingsmeter wat in die ko-vibrasie gebruik word onderwatervektorhidrofoon in hierdie artikel is Ma=2500 mV/g. Die vibrasiesnelheidsensitiwiteit van 'n vektorhidrofoon word oor die algemeen uitgedruk deur die ekwivalente vryveld klankdruksensitiwiteit Mp. Daar is die volgende omskakelingsverhouding tussen Mp en Ma. Vervanging van die werklike gemete waarde van die hidrofoon se gemiddelde digtheid in vergelyking (3) kan verkry word | v/v0|=0.7895, deur hierdie waarde in vergelyking (16) te vervang, kan die verband tussen die teoretiese ekwivalente klankdruksensitiwiteit van die vektorhidrofoon en die klankgolffrekwensie verkry word, soos getoon deur die swart soliede lyn in Figuur 5. By 500 Hz is die teoretiese sensitiwiteit van die vektorkanaal van die vektorhidrofoon -1807 dB,/dPa sensitiwiteit. uitgesluit die versterkingsfaktor van die hidrofoon se ingeboude voorversterker), wat die sensitiwiteit met 6 dB per oktaaf verhoog. Die vibrasiesnelheidsensitiwiteit van die vektorhidrofoon word in 'n staandegolfbuis getoets deur 'n vergelykingsmetode te gebruik, en die effektiewe frekwensieband van die staandegolfbuis is 100~1000 Hz. Die gemete resultate van die sensitiwiteit van elke kanaal van die ko-vibrasie sferiese vektorhidrofoon word in Figuur 5 met die rooi sterpunte getoon. Daar kan gesien word dat die gemete kurwes van die sensitiwiteit van die drie vektorkanale basies ooreenstem met die teoretiese kurwes. Die sensitiwiteite van die X-, Y- en Z-kanale by 500 Hz is onderskeidelik -188.9, -188.1 en -187.6 dB. Die sensitiwiteitskonsekwentheidsfout van elke vektorkanaal in die meetfrekwensieband oorskry nie 1.2 dB nie; die kleinste kwadraat-metode word gebruik om die helling te vind wat deur die sensitiwiteitskurwe van die drie kanale gepas is, en die maksimum verskil tussen die sensitiwiteitsdata van die drie kanale en die ooreenstemmende helling is minder as 0,8 dB, Dit wil sê, die sensitiwiteitsvlak-onstabiliteit van die hidrfoon is minder as 0,8 dB; die sensitiwiteit verhoog met 6 dB per oktaaf, wat ooreenstem met die teoretiese tendens.

 

5.2 Rigtingstoets

 

Die drie vektorkanale van die ko-vibrerende sferiese vektorhidrofoon behoort teoreties cosinusrigting te hê onafhanklik van frekwensie. Die rotasiemetode word gebruik om die rigting van die ko-vibrerende sferiese vektorhidrofoon in die staandegolfbuis te meet, en die hoekinterval van die rotasietoets is 0,4°. Die rigting van die X-, Y- en Z-kanale by 100, 500 en 1000 Hz is onderskeidelik getoets. Die resultate toon dat die X-, Y- en Z-kanale goeie cosinusrigting by die drie frekwensiepunte het. Die gerigtheidskrommes van die X-, Y- en Z-kanale by 500 Hz word in Figuur 6 getoon. Daar kan gesien word dat die minimum putdiepte van die X-kanaal gerigtheidskromme 34.1 dB is, en die minimum putdiepte van die Y-kanaal rigtinggewingskurwe 29.8 dB is. Die minimum putdiepte van die kanaalrigtingkurwe is 38.9 dB. Aangesien die sein wat deur die klankgolf op die kanaal gegenereer word wat gemeet moet word wanneer die vektorhidrofoon by die konkawe punt is, uiters klein is, stop die roterende stelsel nie wanneer die toetsstelsel werk nie, en die meganiese vibrasie en geraas van die roterende stelsel word direk deur die veerveer na die vektor oorgedra. Op die hidrofoon is die sein wat gegenereer word op die kanaal wat gemeet moet word, dikwels baie groter as die akoestiese sein, dus is die diepte van die put wat deur die meting verkry word, baie vlakker as die werklike waarde. Desondanks bereik die kleinste putdiepte in die drie vektorkanale 29,8 dB, wat aan toepassingsvereistes kan voldoen.

 

5.3 Weerstaan ​​spanning toets

Die statiese druktoets van die ko-vibrerende sferiese hidrofoon is in die outoklaaf uitgevoer. Volgens GB 150.1, vir die hidrouliese toets van 'n eksterne drukvat, moet 1,25 keer die ontwerpdruk as die toetsdruk geneem word. Die ontwerpdruk van die vektorhidrofoon is 30 MPa, dus is die maksimum druk van die druktoets op 37,5 MPa gestel. Tydens die toets is die drukmodus van die hidrofoongly langs die profiel van die onderwatersweeftuig gesimuleer. Eerstens is die druk verhoog tot 37.5 MPa teen 'n konstante spoed, en die druk is vir 'n halfuur gehandhaaf, dan is die druk stadig vrygestel, en die druk is weer verhoog na 37.5 MPa teen 'n konstante spoed, en die siklus is 5 keer herhaal. Daar was geen skielike drukval in die outoklaaf tydens die hele drukproses nie. Die voorkoms van die twee hidrofoonmonsters voor en na kompressie was nie beskadig nie, en die gewig was dieselfde. Toe is die akoestiese werkverrigting van die hidrofoon weer in die staandegolfbuis getoets. Die toetsresultate het getoon dat die hidrofoon normaal gewerk het na onderdrukking, en sy sensitiwiteit en rigting was basies dieselfde as voor die onderdrukking. Dit is bewys dat die ko-vibrerende sferiese vektorhidrofoon 37,5 MPa waterdruk kan weerstaan.

 

6 Gevolgtrekking

In ooreenstemming met die vereistes van drukweerstand en akoestiese werkverrigting van 'n groot diepte vektor hidrofoon, stel hierdie vraestel 'n ontwerpmetode voor vir die minimum gemiddelde digtheid druk sferiese dop van 'n mede-vibrerende sferiese vektor hidrofoon, wat belangrike teoretiese rigtinggewende betekenis vir ingenieurswese het. Ontleed en bereken tipiese diepsee-ingenieursmateriaal, en het 7075T6 aluminiumlegering gekies as die materiaal vir die drukbestande dop van die vektorhidrofoon; die minimum gemiddelde digtheid drukbestande sferiese dop ontwerp metode aangeneem, deur teoretiese berekeninge en eindige element simulasies, om die sterkte en stabiliteit van die dop te bepaal Die ontwerp en implementering van 'n groot-diepte ko-vibrasie vektor hidrofoon het die 37.5 MPa water druk toets geslaag; die eksterne afmetings van die vektorhidrofoon ondersteun die boonste limiet van sy werkfrekwensie tot 3000 Hz, en die sensitiwiteit is -188 dB@500 Hz, die sensitiwiteitskonsekwentheidsfout van die drie kanale is minder as 1.2 dB, en die sensitiwiteitsskommelings is almal minder as 0.8 dB. Die rigting van die drie kanale is 'n ideale agttal. In die geval van meganiese rotasiegeraas, die konkawe punt Die diepte is ook hoër as 29,8 dB.