التصميم الأمثل للغطاء الكروي لمكبر الصوت ذو ناقل الاهتزاز المشترك (2)

شكل الهيدروفون هو المعيار محول صوتي على شكل كروي . يتكون الغلاف الكروي للهيدروفون من نصفي الكرة العلوي والسفلي. يبلغ نصف القطر الخارجي لنصفي الكرة الأرضية 36 ملم، وسمك جدار النصف السفلي من الكرة الأرضية 3 ملم، وسمك جدار نصف الكرة العلوي 4 ملم. يتم استخدام حلقة مطاطية على شكل O للختم المحوري في المنتصف. من أجل تقليل جودة الجزء غير المتحمل للضغط من الغلاف، يتم اختيار حلقة O قياسية أمريكية أرق من المعيار الوطني لتقليل عرض أخدود تركيب الحلقة O. يتم تثبيت نصفي الكرة العلوي والسفلي بواسطة الخيوط الموجودة على الغلاف الكروي، بحيث لا تكون هناك حاجة لزيادة موضع تثبيت براغي التثبيت، كما أنه يجعل الجزء غير المتحمل للضغط من الغلاف صغيرًا قدر الإمكان. نظرًا لأن نصفي الكرة العلوي والسفلي مثبتان بخيوط، فإن موضع محاذاة نصفي الكرة الأرضية يكون عشوائيًا عند الشد. ولذلك، يتم توزيع 4 فتحات تعليق زنبركية بالتساوي في وسط السطح الخارجي للقشرة الكروية بدلاً من فتحتين موزعتين بشكل متماثل على القذيفتين النصف كرويتين. حلقة تعليق الربيع. اجعل نصف الكرة السفلي أكبر قليلاً ونصف الكرة العلوي أصغر قليلاً، بحيث تقع جميع فتحات التعليق الزنبركي الموجودة في المركز في نصف الكرة السفلي. يستخدم مستشعر التقاط الاهتزاز مقياس تسارع كهرضغطية ثلاثي المحاور. يتم تثبيت مقياس التسارع في وسط الغلاف الكروي من خلال قوس، ويتم تثبيت دائرة تكييف الإشارة على الجانب الآخر من القوس. لاحظ أن هذا 'المركز' يقع أيضًا في غلاف نصف الكرة السفلي، بحيث عندما يتم شد نصفي الكرة الأرضية، بغض النظر عن الزاوية بين نصفي الكرة العلوي والسفلي، فلن يؤثر ذلك على محاذاة مقياس التسارع مع اتجاه فتحة التعليق. بعد اكتمال التجميع، يجب أن يتطابق مركز ثقل الموجه المائي بأكمله مع مركز الغلاف الكروي محول الطاقة الصوتية تحت الماء قدر الإمكان. يتم حساب موضع مركز ثقل المضخم المائي في الشكل 1 تلقائيًا بواسطة برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد، ويقع في المركز الهندسي للمضخم المتجه. المنطقة الضعيفة للغلاف الكروي المصمم المقاوم للضغط هي الاتصال بين أخدود الحلقة O والقشرة الكروية وفتحة الجزء الثاقب. للاتصال بين الأخدود الدائري والقشرة الكروية، أضف شريحة كبيرة لجعل الانتقال سلسًا لتقليل تركيز الضغط. لفتح الجزء الثاقب، من ناحية، قم بزيادة سمك جدار الثقب لزيادة قوة جدار الثقب، من ناحية أخرى، أضف زوايا مستديرة كبيرة عند الانتقال بين جدار الثقب والسطح الداخلي للقشرة الكروية، وعند الانتقال بين جدار الثقب والسطح الخارجي للقشرة الكروية، قم بزيادة المادة لتسهيل الانتقال وتقليل تركيز الإجهاد. من أجل التعويض عن مشكلة تقليل القوة الناتجة عن فتح غلاف النصف الكروي العلوي، تمت زيادة سمك غلاف النصف الكروي العلوي بمقدار 1 مم ككل. بالإضافة إلى ذلك، فإن البراغي الفولاذية المقاومة للضغط المستخدمة للتوجيه عبر المستودع تتمتع بقوة أعلى، تعادل البراغي الصلبة، وتدعم الثقوب الملولبة.

 

4.5 محاكاة أداء الغلاف المقاوم للضغط للهيدروفون الموجه

يمكن أن نرى من الشكل 1 أن الغلاف الكروي المصمم المقاوم للضغط لمكبر الصوت المتجه لم يعد غلافًا كرويًا مثاليًا. التأثير الأكبر على أداء مقاومة الضغط هو فتح ثقب ملولب أكبر في النصف العلوي من الكرة الأرضية. أدى تأثير الثقب إلى زيادة سمك نصف الكرة العلوي بمقدار 1 ملم. لم يتم حساب هذه التغييرات من الناحية النظرية. يستخدم ما يلي طريقة تحليل العناصر المحدودة لإجراء محاكاة هيكلية ثابتة ومحاكاة انبعاج القيمة الذاتية على النموذج ثلاثي الأبعاد للغلاف الكروي الموجه للهيدروفون للتحقق مما إذا كان الموجه المائي المصمم يمكنه تحمل ضغط خارجي قدره 30 ميجا باسكال. برنامج محاكاة العناصر المحدودة المستخدم هو ANSYS Workbench.

 

4.5.1 المحاكاة الهيكلية الساكنة

استيراد النموذج الرقمي ثلاثي الأبعاد لل ناقل الغلاف الكروي المائي في برنامج محاكاة العناصر المحدودة، اضبط مادة الغلاف على سبائك الألومنيوم 7075T6، واضبط وضع الاتصال بين الغلاف العلوي والقابس وبين الغلاف العلوي والسفلي لربط الوضع، يتم استخدام طريقة السداسي لربط النموذج، ويتم ضبط حجم الشبكة على وظيفة الانحناء، ويتم ضبط الحد الأقصى للحجم على 0.8 مم. يتم ضبط الإزاحات في اتجاهات x وy وz على 0 على السطح العلوي للقابس لتقييد ترجمة النموذج؛ يتم تعيين قيد سطح أسطواني على السطح الأسطواني الخارجي للقابس، ويتم تثبيت الاتجاه العرضي للحد من دوران النموذج وتدويره. محوري وشعاعي مجاني. تطبيق حمل ضغط قدره 30 ميجا باسكال على جميع الأسطح الخارجية لقذيفة الهيدروفون (بما في ذلك السطح الداخلي للأخدود الدائري)، وإجراء تحليل ثابت هيكلي عليه. يظهر الشكل 2. توزيع شدة الإجهاد لقذيفة الهيدروفون التي تم الحصول عليها عن طريق المحاكاة. ويتم تحديد شدة الإجهاد للتحليل لأنها إجهاد مكافئ يعتمد على نظرية الكثافة الثالثة، والنتيجة أكثر أمانًا، وهي مناسبة لتحليل أوعية الضغط.

إن شدة الإجهاد للانتفاخ الحلقي الناتج عن الأخدود الدائري في منتصف غلاف الهيدروفون (والتي يمكن اعتبارها حلقة ضلعية متصلبة) صغيرة؛ قيمة محاكاة شدة الإجهاد للجزء الأوسط من الأصداف النصف الكروية العلوية والسفلية لقذيفة الهيدروفون هي الأصغر، وقيمتها أقل من 202.7 ميجا باسكال، هنا لا تشمل الانقطاع وتركيز الإجهاد، ويمكن اعتبارها كثافة إجهاد الفيلم الإجمالية الأولية، وفقًا للصيغة (6)، نظرية الإجهاد الكلي للفيلم الأولي (أي الحد الأقصى للضغط الرئيسي) للغلاف الكروي ذي الجدران الرقيقة القيمة المحسوبة هي 187.8 ميجا باسكال، وهي متسقة بشكل أساسي مع نتائج المحاكاة شدة الإجهاد في معظم مناطق السطح الداخلي للأغلفة الكروية العلوية والسفلية كبيرة نسبياً، وقيمتها أقل من 243.2 ميجاباسكال. ينتمي الإجهاد عند هذه النقطة إلى إجهاد الانحناء الأساسي ويصل إلى حد أقل من 1.5 مرة من الضغط المسموح به. توجد منطقة إجهاد حلقية كبيرة عند تقاطع غلاف النصف الكروي السفلي والنتوء الحلقي المركزي، شدة الإجهاد حوالي 324.2 ميجاباسكال، الإجهاد هنا هو الإجهاد الأساسي مضافاً إليه الإجهاد الثانوي، وقيمته أقل من 3 أضعاف الإجهاد المسموح به، وهو ما يلبي متطلبات التصميم. توجد تركيزات إجهاد محلية في المكان الذي يكون فيه الجزء العلوي من الغلاف النصف كروي العلوي على اتصال بالسدادة وفي أماكن قليلة في أخدود الحلقة O. الحد الأقصى للإجهاد هو 405.2 ميجاباسكال، وهو ينتمي إلى الإجهاد الأولي بالإضافة إلى الإجهاد الثانوي بالإضافة إلى إجهاد الذروة. لن يؤثر هذا الضغط على تأثير فشل القوة بشكل أساسي على فشل الكلال في غلاف الضغط. لذلك، يمكن للغلاف الكروي للهيدروفون المتجه أن يتحمل ضغطًا خارجيًا قدره 30 ميجا باسكال دون انقطاع في القوة.

 

4.5.2 محاكاة التواء القيمة الذاتية

بعد ذلك، يتم تغيير حمل الضغط على السطح الخارجي لنموذج الغلاف الكروي للهيدروفون إلى 1 ميجا باسكال، ويتم إجراء تحليل التواء القيمة الذاتية على أساس نتائج التحليل الثابت الهيكلي. يظهر الشكل 3 التشوه الكلي لوضع الإبزيم من الدرجة الأولى للغلاف الكروي للهيدروفون.

يمكن أن نرى من الشكل 3 أن التشوه يحدث بشكل رئيسي في نصف الكرة السفلي، لأنه كلما كانت القشرة الكروية أرق، كلما كان الاستقرار أسوأ. عامل حمل الإبزيم من الدرجة الأولى هو 680.35، وبالتالي فإن قيمة محاكاة ضغط عدم الاستقرار الحرج للغلاف الكروي للهيدروفون هي 680.35 ميجا باسكال، وهو أعلى قليلاً من الضغط الحرج لعدم الاستقرار المحيطي المحسوب بواسطة صيغة 611.6 ميجا باسكال. لذلك، يمكن للغلاف الكروي للهيدروفون المتجه أن يتحمل ضغطًا خارجيًا قدره 30 ميجا باسكال دون فشل الاستقرار.

 

4.6 إنتاج الهيدروفونات المتجهة

الأصداف النصف كروية العلوية والسفلية لل مستشعر الموجه المائي بواسطة أدوات آلة CNC. تتم معالجة المادة مصنوعة من سبائك الألومنيوم 7075-T6، والسطح مؤكسد لتشكيل طبقة واقية من أكسيد كثيف لتحسين صلابة السطح ومنع تآكل مياه البحر. يظهر الشكل 4 المجسم المائي الكروي المتجه للاهتزاز المشترك. بعد القياس الفعلي، تبلغ كتلته 274.7 جم، وكثافته 1.40 × 103 كجم/م3. نصف القطر الخارجي للهيدروفون المتجه هو Ro = 36 مم، وبالاستبدال في المعادلة (4)، يدعم حجم هذا الهيدروفون الحد الأعلى لتردد عمله fmax = 2653 هرتز. لسهولة الاستخدام، قم بتقريب الحد الأعلى لتردد العمل إلى 3000 هرتز. في هذا الوقت، kRo=0.45239، نسبة الكثافة 0r / r =1.40، استبدال المعادلتين (1) و (2) في المعادلتين (1) و (2) للحصول على v/v0=0.77، الحد الأقصى لفرق الطور هو 0.15 درجة فقط ، وهو ما يلبي متطلبات التطبيق.

 

5 اختبار أداء الهيدروفونات الموجهة

من أجل التحقق مما إذا كان الأداء الصوتي ومقاومة الضغط للهيدروفون ناقل الاهتزاز الكروي المصمم والمصنع يفي بالمتطلبات، يتم وضع عينات الهيدروفون في أنبوب الموجة الدائمة لاختبارات الحساسية والاتجاه، ويتم إجراء اختبار الضغط الثابت في الأوتوكلاف.

 

5.1 اختبار الحساسية

حساسية مقياس التسارع الكهرضغطي ثلاثي المحاور المستخدم في الاهتزاز المشترك هيدروفون ناقل تحت الماء في هذه المقالة هو Ma=2500 mV/g. يتم التعبير عن حساسية سرعة الاهتزاز لمكبر الصوت المتجه بشكل عام من خلال حساسية ضغط الصوت في المجال الحر المكافئة Mp. هناك علاقة التحويل التالية بين Mp وMa. يمكن الحصول على استبدال القيمة المقاسة الفعلية لمتوسط ​​كثافة الهيدروفون في المعادلة (3) | v/v0|=0.7895، باستبدال هذه القيمة في المعادلة (16)، يمكن الحصول على العلاقة بين حساسية ضغط الصوت المكافئ النظري للمكبر المائي المتجه وتردد الموجة الصوتية، كما هو موضح في الخط الأسود الصلب في الشكل 5. عند 500 هرتز، تبلغ الحساسية النظرية لقناة المتجه للمكبر المائي المتجه -187.4 ديسيبل (0 ديسيبل re 1V/μPa، باستثناء عامل التضخيم الخاص بالمكبر الصوتي المدمج). المضخم)، مما يزيد من الحساسية بمقدار 6 ديسيبل لكل أوكتاف. يتم اختبار حساسية سرعة الاهتزاز لمكبر الصوت المتجه في أنبوب الموجة الدائمة باستخدام طريقة المقارنة، ويبلغ نطاق التردد الفعال لأنبوب الموجة الدائمة 100 ~ 1000 هرتز. تظهر النتائج المقاسة لحساسية كل قناة من مكبر الصوت الناقل الكروي للاهتزاز المشترك في الشكل 5 مع نقاط النجمة الحمراء. ويمكن ملاحظة أن المنحنيات المقاسة لحساسية القنوات المتجهة الثلاث تتوافق بشكل أساسي مع المنحنيات النظرية. تبلغ حساسيات القنوات X وY وZ عند 500 هرتز -188.9 و-188.1 و-187.6 ديسيبل على التوالي. لا يتجاوز خطأ اتساق الحساسية لكل قناة متجهة في نطاق تردد القياس dB 1,2؛ يتم استخدام طريقة المربع الأصغر للعثور على الميل المجهز بمنحنى الحساسية للقنوات الثلاث، ويكون الحد الأقصى للفرق بين بيانات حساسية القنوات الثلاث والمنحدر المقابل أقل من 0.8 ديسيبل، أي أن عدم استقرار مستوى الحساسية للهيدروفون أقل من 0.8 ديسيبل؛ وتزداد الحساسية بمقدار 6 ديسيبل لكل أوكتاف، وهو ما يتوافق مع الاتجاه النظري.

 

5.2 اختبار الاتجاهية

 

ينبغي نظريًا أن يكون للقنوات المتجهة الثلاث للهيدروفون المتجه الكروي المشترك الاهتزاز اتجاه جيب تمام مستقل عن التردد. يتم استخدام طريقة الدوران لقياس اتجاهية الهيدروفون الناقل الكروي المشترك الاهتزاز في أنبوب الموجة الدائمة، والفاصل الزاوي لاختبار الدوران هو 0.4 درجة. تم اختبار اتجاهية القنوات X وY وZ عند 100 و500 و1000 هرتز على التوالي. أظهرت النتائج أن القنوات X وY وZ لها اتجاهية جيب تمام جيدة عند نقاط التردد الثلاثة. يظهر الشكل 6 منحنيات الاتجاهية للقنوات X وY وZ عند 500 هرتز. ويمكن ملاحظة أن الحد الأدنى لعمق الحفرة لمنحنى اتجاهية القناة X هو 34.1 ديسيبل، والحد الأدنى لعمق الحفرة لمنحنى اتجاهية القناة Y هو 29.8 ديسيبل. الحد الأدنى لعمق الحفرة لمنحنى اتجاهية القناة هو 38.9 ديسيبل. نظرًا لأن الإشارة الناتجة عن الموجة الصوتية على القناة المراد قياسها عندما يكون الموجه المائي عند النقطة المقعرة صغيرة للغاية، فإن نظام التدوير لا يتوقف عندما يعمل نظام الاختبار، ويتم نقل الاهتزاز الميكانيكي والضوضاء لنظام التدوير مباشرة إلى المتجه من خلال زنبرك التعليق. في الهيدروفون، غالبًا ما تكون الإشارة المولدة على القناة المراد قياسها أكبر بكثير من الإشارة الصوتية، وبالتالي فإن عمق الحفرة الذي تم الحصول عليه عن طريق القياس يكون أقل بكثير من القيمة الفعلية. ومع ذلك، فإن أصغر عمق حفرة في القنوات المتجهة الثلاث يصل إلى 29.8 ديسيبل، وهو ما يمكنه تلبية متطلبات التطبيق.

 

5.3 تحمل اختبار الجهد

تم إجراء اختبار الضغط الثابت للهيدروفون الكروي المشترك الاهتزاز في الأوتوكلاف. وفقًا للمواصفة GB 150.1، بالنسبة للاختبار الهيدروليكي لأوعية الضغط الخارجية، يجب أن يؤخذ 1.25 مرة من الضغط التصميمي كضغط اختبار. يبلغ الضغط التصميمي للمكبر المائي المتجه 30 ميجا باسكال، لذلك يتم ضبط الحد الأقصى للضغط لاختبار الضغط على 37.5 ميجا باسكال. أثناء الاختبار، تمت محاكاة وضع الضغط لانزلاق الهيدروفون على طول الملف الجانبي للطائرة الشراعية تحت الماء. أولاً تم زيادة الضغط إلى 37.5 ميجا باسكال بسرعة ثابتة، وتم الحفاظ على الضغط لمدة نصف ساعة، ثم تم تحرير الضغط ببطء، وتم زيادة الضغط إلى 37.5 ميجا باسكال بسرعة ثابتة مرة أخرى، وتكررت الدورة 5 مرات. لم يكن هناك انخفاض مفاجئ في الضغط في الأوتوكلاف أثناء عملية الضغط بأكملها. ولم يتضرر مظهر عينتي الهيدروفون قبل وبعد الضغط، وكان الوزن هو نفسه. ثم تم إعادة اختبار الأداء الصوتي للهيدروفون في أنبوب الموجة الدائمة. وأظهرت نتائج الاختبار أن الهيدروفون يعمل بشكل طبيعي بعد القمع، وأن حساسيته واتجاهه كانت في الأساس هي نفسها قبل القمع. لقد ثبت أن الهيدروفونات الكروية المتجهة ذات الاهتزاز المشترك يمكنها تحمل ضغط ماء يبلغ 37.5 ميجا باسكال.

 

6 الاستنتاج

وفقًا لمتطلبات مقاومة الضغط والأداء الصوتي لمكبر صوت متجه ذو عمق كبير، تقترح هذه الورقة طريقة تصميم للغلاف الكروي ذو الحد الأدنى من متوسط ​​كثافة الضغط لمكبر صوت ناقل كروي مشترك الاهتزاز، والذي له أهمية توجيهية نظرية مهمة لتحقيق الهندسة. تم تحليل وحساب المواد الهندسية النموذجية لأعماق البحار، واختيار سبائك الألومنيوم 7075T6 كمادة للغلاف المقاوم للضغط للمكبر الصوتي المتجه؛ اعتمد أسلوب تصميم الغلاف الكروي المقاوم للضغط ذو الحد الأدنى من الكثافة، من خلال الحسابات النظرية ومحاكاة العناصر المحدودة، لتحديد قوة واستقرار الغلاف. لقد اجتاز تصميم وتنفيذ هيدروفون ناقل الاهتزاز المشترك ذو العمق الكبير اختبار ضغط الماء بمقدار 37.5 ميجا باسكال؛ تدعم الأبعاد الخارجية للهيدروفون المتجه الحد الأعلى لتردد عمله حتى 3000 هرتز، والحساسية -188 ديسيبل@500 هرتز، وخطأ اتساق الحساسية للقنوات الثلاث أقل من 1.2 ديسيبل، وتقلبات الحساسية جميعها أقل من 0.8 ديسيبل. إن اتجاهية القنوات الثلاث هي الرقم المثالي ثمانية. وفي حالة ضجيج الدوران الميكانيكي، تكون نقطة التقعر والعمق أعلى أيضًا من 29.8 ديسيبل.