Optimalt design af sfærisk skal af co-vibration vektor hydrofon(2)

Formen på hydrofonen er standard akustisk transducer med sfærisk form . Hydrofonens sfæriske skal er sammensat af øvre og nedre halvkugler. Den ydre radius af de to halvkugler er 36 mm, vægtykkelsen af ​​den nedre halvkugle er 3 mm, og vægtykkelsen af ​​den øvre halvkugle er 4 mm. En gummi O-ring bruges til aksial tætning i midten. For at minimere kvaliteten af ​​den ikke-trykbærende del af skallen, vælges en amerikansk standard O-ring, der er tyndere end den nationale standard, for at reducere bredden af ​​O-ringens installationsrille. Den øvre og nedre halvkugle er fastgjort med gevindene på den kugleformede skal, så der ikke er behov for at øge monteringspositionen af ​​fastgørelsesboltene, og det er også for at gøre den ikke-trykbærende del af skallen så lille som muligt. Fordi den øvre og nedre halvkugle er fastgjort med tråde, er indstillingspositionen af ​​de to halvkugler tilfældig, når de strammes. Derfor er 4 fjederophængshuller jævnt fordelt i midten af ​​den ydre overflade af den kugleformede skal i stedet for to symmetrisk fordelt på de to halvkugleformede skaller. Løkkefjederophængshul. Gør den nederste halvkugle lidt større og den øverste halvkugle lidt mindre, så alle fjederophængshullerne i midten er placeret på den nederste halvkugle. Vibrationssensoren bruger et tre-akset piezoelektrisk accelerometer. Accelerometeret er installeret i midten af ​​den sfæriske skal gennem et beslag, og signalbehandlingskredsløbet er installeret på den anden side af beslaget. Bemærk, at dette 'center' også er placeret i den nederste halvkugleformede skal, så når de to halvkugler strammes, vil det, uanset vinklen mellem den øvre og nedre halvkugle, ikke påvirke accelerometerets justering med retningen af ​​ophængshullet. Efter samlingen er afsluttet, skal tyngdepunktet for hele vektorhydrofonen falde sammen med midten af ​​den sfæriske skal undervands akustisk transducer så meget som muligt. Positionen af ​​hydrofonens tyngdepunkt i figur 1 beregnes automatisk af 3D-modelleringssoftwaren, og den er placeret i det geometriske centrum af vektorhydrofonen. Det svage område af den konstruerede trykfaste sfæriske skal er forbindelsen mellem O-ringsrillen og den sfæriske skal og åbningen af ​​den gennemborende del. Til forbindelsen mellem O-ringsrillen og den sfæriske skal tilføjes en stor filet for at gøre overgangen glat for at reducere spændingskoncentrationen. Til åbningen af ​​gennemboringsdelen skal du på den ene side øge tykkelsen af ​​hulvæggen for at øge styrken af ​​hulvæggen, på den anden side tilføje store runde hjørner ved overgangen mellem hulvæggen og den indvendige overflade af den sfæriske skal, og ved overgangen mellem hulvæggen og den ydre overflade af den kugleformede skal. For at kompensere for styrkereduktionsproblemet forårsaget af åbningen af ​​den øvre halvkugleformede skal, blev tykkelsen af ​​den øvre halvkugleformede skal øget med 1 mm som helhed. Derudover har de trykfaste stålbolte, der bruges til at føre gennem lageret, højere styrke, svarende til massive bolte, og understøtter de gevindskårne huller.

 

4.5 Ydeevnesimulering af trykbestandig skal af vektorhydrofon

Det kan ses af figur 1, at den konstruerede trykbestandige sfæriske skal af vektorhydrofonen ikke længere er en ideel sfærisk skal. Den største indvirkning på den trykbestandige ydeevne er åbningen af ​​et større gevindhul i den øvre halvkugle. Påvirkningen af ​​hullet har øget tykkelsen af ​​den øvre halvkugle med 1 mm. Disse ændringer er ikke teoretisk beregnet. Det følgende bruger metoden med finite element-analyse til at udføre strukturel statisk simulering og egenværdi-knækningssimulering på den tredimensionelle model af vektorhydrofonens sfæriske skal for at verificere, om den designede vektorhydrofon kan modstå et eksternt tryk på 30 MPa. Den anvendte finite element simuleringssoftware er ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Strukturel statisk simulering

Importer den tredimensionelle digitale model af vektor hydrofon sfærisk skal ind i finite element simuleringssoftwaren, indstil skalmaterialet til 7075T6 aluminiumslegering, og indstil kontakttilstanden mellem den øverste skal og stikket og mellem de øvre og nedre skaller for at binde tilstand, Heksaedermetoden bruges til at mesh modellen, maskestørrelsen er indstillet til en bøjningsfunktion, og den maksimale størrelse er indstillet til 0,8 mm. Forskydningerne i x-, y- og z-retningerne er sat til 0 på den øvre overflade af stikket for at begrænse translationen af ​​modellen; en cylindrisk overfladebegrænsning er sat på den ydre cylindriske overflade af proppen, og den tangentielle retning er fikseret for at begrænse rotationen og rotationen af ​​modellen. Aksial og radial fri; påfør en trykbelastning på 30 MPa på alle ydre overflader af hydrofonskallen (inklusive den indvendige overflade af O-ringsrillen), og udfør strukturel statisk analyse på den. Spændingsintensitetsfordelingen af ​​hydrofonskallen opnået ved simulering er vist i figur 2. Spændingsintensiteten er valgt til analyse, fordi det er en ækvivalent spænding baseret på den tredje intensitetsteori, resultatet er mere sikkert, og det er velegnet til trykbeholderanalyse.

Spændingsintensiteten af ​​den ringformede bule forårsaget af O-ringsrillen i midten af ​​hydrofonskallen (som kan betragtes som en afstivningsribring) er lille; spændingsintensitetssimuleringsværdien af den midterste del af de øvre og nedre halvkugleskaller af hydrofonskallen er den mindste, dens værdi er mindre end 202,7 MPa, her inkluderer ikke diskontinuitet og spændingskoncentration, den kan betragtes som den primære overordnede filmspændingsintensitet, ifølge formel (6), teorien om den primære overordnede filmspænding, den maksimale spænding af denne væg, den maksimale spænding (det er den største spænding af denne væg). Den beregnede værdi er 187,8 MPa, hvilket grundlæggende stemmer overens med simuleringsresultaterne. Spændingsintensiteten i de fleste områder af den indre overflade af de øvre og nedre sfæriske skaller er relativt stor, og dens værdi er mindre end 243,2 MPa. Spændingen på dette tidspunkt hører til den primære bøjningsspænding og opfylder grænsen på mindre end 1,5 gange den tilladte spænding. Der er en ringformet stor spændingszone ved krydset mellem den nedre halvkugleformede skal og det centrale ringformede fremspring, spændingsintensiteten er omkring 324,2 MPa, spændingen her er den primære spænding plus den sekundære spænding, og dens værdi er mindre end 3 gange den tilladte spænding, som opfylder designkravene. Der er lokale spændingskoncentrationer på det sted, hvor toppen af ​​den øvre halvkugleformede skal er i kontakt med proppen og nogle få steder i O-ringsrillen. Den maksimale spænding er 405,2 MPa, hvilket hører til den primære spænding plus den sekundære spænding plus spidsbelastningen. Denne spænding vil ikke påvirke Virkningen af ​​styrkesvigt påvirker hovedsageligt trykskallens træthedsfejl. Derfor kan vektorhydrofonens sfæriske skal modstå et eksternt tryk på 30 MPa uden styrkesvigt.

 

4.5.2 Egenværdi bukningssimulering

Dernæst ændres trykbelastningen på den ydre overflade af den hydrofonsfæriske skalmodel til 1 MPa, og egenværdiknækningsanalysen udføres på baggrund af de strukturelle statiske analyseresultater. Den totale deformation af den første ordens knækningstilstand af hydrofonens sfæriske skal er vist i figur 3.

Det kan ses af figur 3, at deformationen hovedsageligt sker i den nedre halvkugle, fordi jo tyndere den kugleformede skal er, jo dårligere stabilitet. Førsteordens knækbelastningsfaktor er 680,35, så simuleringsværdien af ​​det kritiske ustabilitetstryk af hydrofonens sfæriske skal er 680,35 MPa, hvilket er lidt højere end det periferiske ustabilitetskritiske tryk beregnet med formlen på 611,6 MPa. Derfor kan vektorhydrofonens sfæriske skal modstå et eksternt tryk på 30 MPa uden stabilitetsfejl.

 

4.6 Vektorhydrofonproduktion

De øvre og nedre halvkugleformede skaller af vektor hydrofon sensor behandles af CNC værktøjsmaskiner. Materialet er 7075-T6 aluminiumslegering, og overfladen er anodiseret for at danne en tæt oxid beskyttende film for at forbedre overfladens hårdhed og hæmme havvandskorrosion. Den færdige co-vibrations sfæriske vektorhydrofon er vist i figur 4. Efter faktisk måling er dens masse 274,7 g, og dens massefylde er 1,40 × 103 kg/m3. Den ydre radius af vektorhydrofonen er Ro=36 mm, og ved at erstatte ligning (4) understøtter størrelsen af ​​denne hydrofon den øvre grænse for dens arbejdsfrekvens fmax=2653 Hz. For at lette brugen, rund den øvre grænse for dens arbejdsfrekvens til 3000 Hz. På dette tidspunkt er kRo=0,45239, tæthedsforhold 0r / r =1,40, idet ligning (1) og (2) erstattes med ligning (1) og (2) for at få v/v0=0,77, det maksimale. Faseforskellen er kun 0,15 ° , hvilket opfylder applikationskravene.

 

5 Vektor hydrofon ydeevne test

For at kontrollere, om den akustiske ydeevne og trykmodstand af den konstruerede og fremstillede co-vibrations sfæriske vektorhydrofon opfylder kravene, placeres hydrofonprøverne i det stående bølgerør til følsomheds- og retningsbestemmelsestest, og den statiske tryktest udføres i autoklaven.

 

5.1 Følsomhedstest

Følsomheden af ​​det tre-aksede piezoelektriske accelerometer, der bruges i co-vibrationen undervandsvektorhydrofon i denne artikel er Ma=2500 mV/g. Vibrationshastighedsfølsomheden for en vektorhydrofon er generelt udtrykt ved den ækvivalente frifelts lydtrykfølsomhed Mp. Der er følgende konverteringsforhold mellem Mp og Ma. Substitution af den faktisk målte værdi af hydrofonens gennemsnitlige tæthed i ligning (3) kan opnås | v/v0|=0,7895, substituerer denne værdi i ligning (16), kan forholdet mellem vektorhydrofonens teoretiske ækvivalente lydtryksfølsomhed og lydbølgefrekvensen opnås, som vist med den sorte ubrudte linie i figur 5. Ved 500 Hz er den teoretiske følsomhed af vektorkanalen for vektorhydrofonens vektorkanal -1807 dB1807 (dB1807). eksklusive forstærkningsfaktoren på hydrofonens indbyggede forforstærker), hvilket øger følsomheden med 6 dB pr. oktav. Vektorhydrofonens vibrationshastighedsfølsomhed testes i et stående bølgerør ved hjælp af en sammenligningsmetode, og det effektive frekvensbånd for det stående bølgerør er 100~1000 Hz. De målte resultater af følsomheden af ​​hver kanal af den co-vibrations sfæriske vektorhydrofon er vist i figur 5 med de røde stjernepunkter. Det kan ses, at de målte kurver for følsomheden af ​​de tre vektorkanaler grundlæggende stemmer overens med de teoretiske kurver. Følsomhederne for X-, Y- og Z-kanalerne ved 500 Hz er henholdsvis -188,9, -188,1 og -187,6 dB. Følsomhedskonsistensfejlen for hver vektorkanal i målefrekvensbåndet overstiger ikke 1,2 dB; metoden med mindste kvadrat bruges til at finde hældningen tilpasset af følsomhedskurven for de tre kanaler, og den maksimale forskel mellem følsomhedsdataene for de tre kanaler og den tilsvarende hældning er mindre end 0,8 dB, Det vil sige, at hydrofonens følsomhedsniveauustabilitet er mindre end 0,8 dB; følsomheden øges med 6 dB pr. oktav, hvilket stemmer overens med den teoretiske tendens.

 

5.2 Retningsevnetest

 

De tre vektorkanaler i den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon skulle teoretisk have cosinusdirektivitet uafhængig af frekvens. Rotationsmetoden bruges til at måle retningsvirkningen af ​​den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon i det stående bølgerør, og vinkelintervallet for rotationstesten er 0,4°. Retningsevnen af ​​X-, Y- og Z-kanalerne ved henholdsvis 100, 500 og 1000 Hz blev testet. Resultaterne viser, at X-, Y- og Z-kanalerne har god cosinusdirektivitet ved de tre frekvenspunkter. Direktivitetskurverne for X-, Y- og Z-kanalerne ved 500 Hz er vist i figur 6. Det kan ses, at den mindste pit-dybde af X-kanal-direktivitetskurven er 34,1 dB, og den mindste pit-dybde for Y-kanalens retningskurve er 29,8 dB. Den mindste pit-dybde af kanaldirektivitetskurven er 38,9 dB. Da signalet, der genereres af lydbølgen på kanalen, der skal måles, når vektorhydrofonen er i det konkave punkt, er ekstremt lille, stopper det roterende system ikke, når testsystemet fungerer, og den mekaniske vibration og støj fra det roterende system overføres direkte til vektoren gennem suspensionsfjederen. På hydrofonen er signalet, der genereres på kanalen, der skal måles, ofte meget større end det akustiske signal, så dybden af ​​brønden opnået ved målingen er meget mindre end den faktiske værdi. Alligevel når den mindste pit-dybde i de tre vektorkanaler op på 29,8 dB, hvilket kan opfylde applikationskravene.

 

5.3 Modstå spændingstest

Den statiske tryktest af den co-vibrerende sfæriske hydrofon blev udført i autoklaven. I henhold til GB 150.1, for den hydrauliske test af en ekstern trykbeholder, skal 1,25 gange designtrykket tages som testtryk. Vektorhydrofonens designtryk er 30 MPa, så det maksimale tryk for tryktesten er sat til 37,5 MPa. Under testen blev hydrofonens tryktilstand simuleret langs profilen af ​​undervandssvæveflyet. Først blev trykket øget til 37,5 MPa ved konstant hastighed, og trykket blev holdt i en halv time, derefter blev trykket langsomt frigivet, og trykket blev igen øget til 37,5 MPa ved konstant hastighed, og cyklussen blev gentaget 5 gange. Der var intet pludseligt trykfald i autoklaven under hele tryksætningsprocessen. Udseendet af de to hydrofonprøver før og efter kompression var ikke beskadiget, og vægten var den samme. Derefter blev hydrofonens akustiske ydeevne testet igen i det stående bølgerør. Testresultaterne viste, at hydrofonen fungerede normalt efter undertrykkelsen, og dens følsomhed og retningsbestemmelse var stort set den samme som før undertrykkelsen. Det er bevist, at den co-vibrerende sfæriske vektorhydrofon kan modstå 37,5 MPa vandtryk.

 

6 Konklusion

I overensstemmelse med kravene til trykmodstand og akustisk ydeevne af en vektorhydrofon med stor dybde, foreslår dette papir en designmetode til den sfæriske skal med minimumsgennemsnitsdensitetstryk af en co-vibrerende sfærisk vektorhydrofon, som har vigtig teoretisk vejledende betydning for ingeniørmæssig realisering. Analyserede og beregnede typiske dybhavstekniske materialer og valgte 7075T6 aluminiumslegering som materiale til vektorhydrofonens trykfaste skal; vedtog den trykbestandige, trykbestandige sfæriske skals minimumsgennemsnitlige massefylde gennem teoretiske beregninger og finite element-simuleringer for at bestemme styrken og stabiliteten af ​​skallen. Designet og implementeringen af ​​en stor-dybde co-vibrationsvektorhydrofon har bestået 37,5 MPa vandtrykstesten; vektorhydrofonens ydre dimensioner understøtter den øvre grænse for dens arbejdsfrekvens op til 3000 Hz, og følsomheden er -188 dB@500 Hz, følsomhedskonsistensfejlen for de tre kanaler er mindre end 1,2 dB, og følsomhedsudsvingene er alle mindre end 0,8 dB. Direktiviteten af ​​de tre kanaler er et ideelt ottetal. Ved mekanisk rotationsstøj er det konkave punkt. Dybden er også højere end 29,8 dB.