طراحی بهینه پوسته کروی هیدروفون بردار ارتعاش همزمان (2)

شکل هیدروفون استاندارد است آکوستیک کروی شکل مبدل پوسته کروی هیدروفون از نیمکره های بالایی و پایینی تشکیل شده است. شعاع بیرونی دو نیمکره 36 میلی متر، ضخامت دیواره نیمکره پایینی 3 میلی متر و ضخامت دیواره نیمکره بالایی 4 میلی متر است. برای آب بندی محوری در وسط از O-ring لاستیکی استفاده می شود. به منظور به حداقل رساندن کیفیت قسمت بدون فشار پوسته، یک O-ring استاندارد آمریکایی که نازکتر از استاندارد ملی است برای کاهش عرض شیار نصب O-ring انتخاب می شود. نیمکره های بالا و پایین توسط رزوه های روی پوسته کروی بسته می شوند تا نیازی به افزایش محل نصب پیچ های بست نباشد و همچنین قسمت غیر فشاری پوسته تا حد امکان کوچک شود. از آنجایی که نیمکره های بالایی و پایینی توسط نخ ها بسته می شوند، موقعیت تراز دو نیمکره هنگام سفت شدن تصادفی است. بنابراین، 4 سوراخ فنر تعلیق به طور مساوی در مرکز سطح خارجی پوسته کروی به جای دو سوراخ متقارن روی دو پوسته نیمکره توزیع شده است. سوراخ تعلیق فنر حلقه. نیمکره پایینی را کمی بزرگتر و نیمکره بالایی را کمی کوچکتر کنید، به طوری که تمام سوراخ های فنر تعلیق در مرکز روی نیمکره پایینی قرار گیرند. سنسور پیکاپ لرزش از یک شتاب سنج پیزوالکتریک سه محوره استفاده می کند. شتاب سنج از طریق یک براکت در مرکز پوسته کروی و مدار تهویه سیگنال در طرف دیگر براکت نصب می شود. توجه داشته باشید که این 'مرکز' در پوسته نیمکره پایینی نیز قرار دارد، به طوری که وقتی دو نیمکره سفت می شوند، فرقی نمی کند که زاویه بین نیمکره بالا و پایین چقدر باشد، تأثیری در تراز شتاب سنج با جهت سوراخ تعلیق نخواهد داشت. پس از اتمام مونتاژ، مرکز ثقل کل هیدروفون برداری باید با مرکز پوسته کروی منطبق باشد. مبدل آکوستیک زیر آب تا حد امکان. موقعیت مرکز ثقل هیدروفون در شکل 1 به طور خودکار توسط نرم افزار مدل سازی سه بعدی محاسبه می شود و در مرکز هندسی هیدروفون برداری قرار دارد. ناحیه ضعیف پوسته کروی مقاوم در برابر فشار طراحی شده، اتصال شیار O-ring و پوسته کروی و دهانه قسمت سوراخ کننده است. برای اتصال بین شیار O-ring و پوسته کروی، یک فیله بزرگ اضافه کنید تا انتقال صاف شود تا تمرکز تنش کاهش یابد. برای باز شدن قسمت سوراخ کننده، از یک طرف ضخامت دیواره سوراخ را افزایش دهید تا استحکام دیواره سوراخ افزایش یابد، از طرف دیگر، گوشه های گرد بزرگ را در محل انتقال بین دیواره سوراخ و سطح داخلی پوسته کروی و در انتقال بین دیواره سوراخ و سطح خارجی پوسته کروی، افزایش دهید و غلظت مواد را کاهش دهید تا سطح صاف شود. به منظور جبران مشکل کاهش استحکام ناشی از باز شدن پوسته نیمکره بالایی، ضخامت پوسته نیمکره بالایی به طور کلی 1 میلی متر افزایش یافت. علاوه بر این، پیچ‌های فولادی مقاوم در برابر فشار که برای مسیریابی در انبار استفاده می‌شوند، استحکام بالاتری معادل پیچ‌های جامد دارند و سوراخ‌های رزوه‌شده را پشتیبانی می‌کنند.

 

4.5 شبیه سازی عملکرد پوسته مقاوم در برابر فشار هیدروفون برداری

از شکل 1 می توان دریافت که پوسته کروی مقاوم در برابر فشار طراحی شده هیدروفون بردار دیگر یک پوسته کروی ایده آل نیست. بزرگترین تاثیر بر عملکرد مقاوم در برابر فشار، باز شدن یک سوراخ رزوه دار بزرگتر در نیمکره بالایی است. نفوذ سوراخ ضخامت نیمکره بالایی را 1 میلی متر افزایش داده است. این تغییرات از نظر تئوری محاسبه نشده است. در ادامه از روش تحلیل اجزای محدود برای انجام شبیه‌سازی استاتیکی ساختاری و شبیه‌سازی کمانش مقادیر ویژه بر روی مدل سه‌بعدی پوسته کروی هیدروفون بردار برای بررسی اینکه آیا هیدروفون بردار طراحی‌شده می‌تواند فشار خارجی 30 مگاپاسکال را تحمل کند، استفاده می‌کند. نرم افزار شبیه سازی المان محدود مورد استفاده ANSYS Workbench است.

 

4.5.1 شبیه سازی استاتیکی سازه

واردات مدل دیجیتال سه بعدی از بردار پوسته کروی هیدروفون را در نرم افزار شبیه سازی المان محدود قرار دهید، مواد پوسته را روی آلیاژ آلومینیوم 7075T6 تنظیم کنید و حالت تماس بین پوسته بالایی و دوشاخه و بین پوسته بالا و پایین را به حالت اتصال تنظیم کنید، از روش شش وجهی برای مش بندی مدل استفاده می شود، اندازه مش روی یک تابع خمشی حداکثر 8 میلی متر تنظیم شده است. جابجایی‌ها در جهت‌های x، y و z روی 0 در سطح بالایی دوشاخه تنظیم می‌شوند تا ترجمه مدل را محدود کنند. یک محدودیت سطح استوانه‌ای روی سطح استوانه‌ای بیرونی پلاگین تنظیم می‌شود و جهت مماسی برای محدود کردن چرخش و چرخش مدل ثابت می‌شود. آزاد محوری و شعاعی؛ بار فشاری 30 مگاپاسکال را روی تمام سطوح بیرونی پوسته هیدروفون (از جمله سطح داخلی شیار حلقه O) اعمال کنید و آنالیز استاتیکی ساختاری را روی آن انجام دهید. توزیع شدت تنش پوسته هیدروفون به دست آمده با شبیه سازی در شکل 2 نشان داده شده است. شدت تنش برای تجزیه و تحلیل انتخاب شده است زیرا بر اساس نظریه شدت سوم تنش معادل است، نتیجه ایمن تر است و برای تجزیه و تحلیل مخازن تحت فشار مناسب است.

شدت تنش برآمدگی حلقوی ناشی از شیار O-ring در وسط پوسته هیدروفون (که می تواند به عنوان یک حلقه دنده سفت کننده در نظر گرفته شود) کم است. مقدار شبیه‌سازی شدت تنش قسمت میانی پوسته نیم‌کره بالایی و پایینی پوسته هیدروفون کوچک‌ترین است، مقدار آن کمتر از 202.7 مگاپاسکال است، در اینجا ناپیوستگی و تمرکز تنش را شامل نمی‌شود، می‌توان آن را به‌عنوان شدت تنش کلی فیلم اولیه در نظر گرفت، طبق فرمول (6)، نظریه تنش اصلی فیلم اولیه (تئوری تنش اصلی بیشینه) پوسته کروی دیواره نازک مقدار محاسبه شده 187.8 مگاپاسکال است که اساساً با نتایج شبیه سازی مطابقت دارد. شدت تنش در بیشتر نواحی سطح داخلی پوسته‌های کروی بالا و پایین نسبتاً زیاد است و مقدار آن کمتر از 243.2 مگاپاسکال است. تنش در این نقطه متعلق به تنش خمشی اولیه است و از حد کمتر از 1.5 برابر تنش مجاز برخوردار است. یک ناحیه تنش بزرگ حلقوی در محل اتصال پوسته نیمکره پایینی و برآمدگی حلقوی مرکزی وجود دارد، شدت تنش حدود 324.2 مگاپاسکال است، تنش در اینجا تنش اولیه به اضافه تنش ثانویه است و مقدار آن کمتر از 3 برابر تنش مجاز است که الزامات طراحی را برآورده می کند. در محل تماس بالای پوسته نیمکره بالایی با پلاگ و چند مکان در شیار O-ring غلظت‌های تنش موضعی وجود دارد. حداکثر تنش 405.2 مگاپاسکال است که به تنش اولیه به اضافه تنش ثانویه به اضافه تنش پیک تعلق دارد. این تنش تأثیری نخواهد داشت تأثیر شکست مقاومت عمدتاً بر شکست خستگی پوسته فشار تأثیر می گذارد. بنابراین، پوسته کروی هیدروفون بردار می تواند فشار خارجی 30 مگاپاسکال را بدون شکست مقاومت تحمل کند.

 

4.5.2 شبیه سازی کمانش مقدار ویژه

سپس، بار فشار روی سطح بیرونی مدل پوسته کروی هیدروفون به 1 مگاپاسکال تغییر می‌کند و تحلیل کمانش مقدار ویژه بر اساس نتایج تحلیل استاتیکی ساختاری انجام می‌شود. کل تغییر شکل حالت کمانش مرتبه اول پوسته کروی هیدروفون در شکل 3 نشان داده شده است.

از شکل 3 می توان دید که تغییر شکل عمدتاً در نیمکره پایینی رخ می دهد، زیرا هرچه پوسته کروی نازک تر باشد، پایداری بدتر است. ضریب بار کمانشی مرتبه اول 680.35 است، بنابراین مقدار شبیه سازی فشار ناپایداری بحرانی پوسته کروی هیدروفون 680.35 مگاپاسکال است که کمی بیشتر از فشار بحرانی ناپایداری محیطی محاسبه شده با فرمول 611.6 MPa است. بنابراین، پوسته کروی هیدروفون بردار می تواند فشار خارجی 30 مگاپاسکال را بدون شکست پایداری تحمل کند.

 

4.6 تولید هیدروفون برداری

پوسته های نیمکره بالایی و تحتانی سنسور هیدروفون برداری توسط ماشین ابزار CNC پردازش می شود. این ماده از آلیاژ آلومینیوم 7075-T6 است و سطح برای تشکیل یک فیلم محافظ اکسید متراکم برای بهبود سختی سطح و جلوگیری از خوردگی آب دریا آنودایز شده است. هیدروفون بردار کروی ارتعاشی تکمیل شده در شکل 4 نشان داده شده است. پس از اندازه گیری واقعی، جرم آن 274.7 گرم و چگالی آن 1.40 × 103 کیلوگرم بر متر مکعب است. شعاع بیرونی هیدروفون بردار Ro=36 میلی متر است و با جایگزینی معادله (4)، اندازه این هیدروفون از حد بالایی فرکانس کاری fmax=2653 هرتز پشتیبانی می کند. برای سهولت استفاده، حد بالایی فرکانس کاری آن را تا 3000 هرتز گرد کنید. در این زمان، kRo = 0.45239، نسبت چگالی 0r / r = 1.40، جایگزینی معادلات (1) و (2) به معادلات (1) و (2) برای بدست آوردن v/v0 = 0.77، حداکثر اختلاف فاز فقط 0.15 درجه است که الزامات کاربرد را برآورده می کند.

 

5 تست عملکرد هیدروفون برداری

به منظور بررسی اینکه آیا عملکرد صوتی و مقاومت فشار هیدروفن بردار کروی ارتعاش مشترک طراحی و تولید شده مطابق با الزامات است، نمونه های هیدروفون برای تست های حساسیت و جهت گیری در لوله موج ایستاده قرار می گیرند و آزمایش فشار استاتیک در اتوکلاو انجام می شود.

 

5.1 تست حساسیت

حساسیت شتاب سنج پیزوالکتریک سه محوره مورد استفاده در ارتعاش مشترک هیدروفون بردار زیر آب در این مقاله Ma=2500 mV/g است. حساسیت سرعت ارتعاش یک هیدروفون برداری به طور کلی با حساسیت فشار صوتی میدان آزاد معادل Mp بیان می شود. رابطه تبدیل زیر بین Mp و Ma وجود دارد. با جایگزینی مقدار واقعی اندازه گیری شده چگالی متوسط ​​هیدروفون به معادله (3) می توان به دست آورد | v/v0|=0.7895، با جایگزینی این مقدار با معادله (16)، رابطه بین حساسیت نظری معادل نظری فشار صوتی هیدروفون بردار و فرکانس موج صوتی را می توان به دست آورد، همانطور که توسط خط جامد سیاه در شکل 5 نشان داده شده است. در 500 هرتز، حساسیت نظری بردار بردار 7B4 برابر با 1-B است. 1V/μPa، به استثنای ضریب تقویت پیش تقویت کننده داخلی هیدروفون)، که حساسیت را 6 دسی بل در هر اکتاو افزایش می دهد. حساسیت سرعت ارتعاش هیدروفون بردار در یک لوله موج ایستاده با استفاده از روش مقایسه آزمایش می شود و باند فرکانس موثر لوله موج ایستاده 100 تا 1000 هرتز است. نتایج اندازه‌گیری شده حساسیت هر کانال هیدروفون بردار کروی ارتعاشی همزمان با نقاط ستاره قرمز در شکل 5 نشان داده شده است. مشاهده می شود که منحنی های اندازه گیری شده حساسیت سه کانال برداری اساساً با منحنی های نظری سازگار است. حساسیت کانال های X، Y و Z در فرکانس 500 هرتز به ترتیب 188.9-، 188.1- و 187.6- دسی بل است. خطای ثبات حساسیت هر کانال برداری در باند فرکانس اندازه گیری از 1.2 دسی بل تجاوز نمی کند. از روش حداقل مربع برای یافتن شیب متناسب با منحنی حساسیت سه کانال استفاده می شود و حداکثر اختلاف بین داده های حساسیت سه کانال و شیب مربوطه کمتر از 0.8 دسی بل است، یعنی ناپایداری سطح حساسیت هیدروفون کمتر از 0.8 دسی بل است. حساسیت 6 دسی بل در هر اکتاو افزایش می یابد که با روند نظری مطابقت دارد.

 

5.2 آزمون جهت گیری

 

سه کانال برداری هیدروفون بردار کروی هم‌ارتعاش از نظر تئوری باید جهت کسینوس مستقل از فرکانس داشته باشند. از روش چرخش برای اندازه گیری جهت هیدروفون بردار کروی هم‌ارتعاش در لوله موج ایستاده استفاده می‌شود و فاصله زاویه‌ای تست چرخش 0.4 درجه است. جهت کانال های X، Y و Z به ترتیب در 100، 500 و 1000 هرتز آزمایش شد. نتایج نشان می‌دهد که کانال‌های X، Y و Z جهت کسینوس خوبی در سه نقطه فرکانس دارند. منحنی های جهت دهی کانال های X، Y و Z در فرکانس 500 هرتز در شکل 6 نشان داده شده است. مشاهده می شود که حداقل عمق گودال منحنی جهت دهی کانال X 34.1 دسی بل است و حداقل عمق گودال منحنی جهت دهی کانال Y 29.8 دسی بل است. حداقل عمق گودال منحنی جهت دهی کانال 38.9 دسی بل است. از آنجایی که سیگنال تولید شده توسط موج صوتی روی کانال که قرار است زمانی که هیدروفون بردار در نقطه مقعر قرار دارد اندازه گیری شود بسیار کوچک است، سیستم چرخش هنگام کار سیستم آزمایش متوقف نمی شود و ارتعاش مکانیکی و نویز سیستم چرخان مستقیماً از طریق فنر تعلیق به بردار منتقل می شود. در هیدروفون، سیگنال تولید شده در کانالی که باید اندازه‌گیری شود، اغلب بسیار بزرگتر از سیگنال صوتی است، بنابراین عمق حفره‌ای که با اندازه‌گیری به دست می‌آید بسیار کم‌تر از مقدار واقعی است. با این حال، کوچکترین عمق گودال در سه کانال برداری به 29.8 دسی بل می رسد که می تواند الزامات برنامه را برآورده کند.

 

5.3 مقاومت در برابر تست ولتاژ

تست فشار استاتیکی هیدروفون کروی ارتعاشی همزمان در اتوکلاو انجام شد. طبق GB 150.1، برای آزمایش هیدرولیک یک مخزن تحت فشار خارجی، 1.25 برابر فشار طراحی باید به عنوان فشار آزمایش در نظر گرفته شود. فشار طراحی هیدروفون وکتور 30 ​​مگاپاسکال است، بنابراین حداکثر فشار تست فشار روی 37.5 مگاپاسکال تنظیم شده است. در طول آزمایش، حالت فشار هیدروفون سر خوردن در امتداد مشخصات گلایدر زیر آب شبیه‌سازی شد. ابتدا فشار را با سرعت ثابت به 37.5 مگاپاسکال رساندند و فشار را به مدت نیم ساعت حفظ کردند، سپس فشار را به آرامی رها کردند و دوباره فشار را با سرعت ثابت به 37.5 مگاپاسکال رساندند و سیکل را 5 بار تکرار کردند. افت فشار ناگهانی در اتوکلاو در طول کل فرآیند فشار وجود نداشت. ظاهر دو نمونه هیدروفون قبل و بعد از فشرده سازی آسیبی ندیده و وزن آنها یکسان بوده است. سپس عملکرد صوتی هیدروفون در لوله موج ایستاده مجدداً آزمایش شد. نتایج آزمایش نشان داد که هیدروفون پس از سرکوب به طور معمول کار می کند و حساسیت و جهت آن اساساً مانند قبل از سرکوب است. ثابت شده است که هیدروفون بردار کروی هم‌ارتعاش می‌تواند فشار آب 37.5 مگاپاسکال را تحمل کند.

 

6 نتیجه گیری

مطابق با الزامات مقاومت فشار و عملکرد صوتی یک هیدروفون بردار عمق بزرگ، این مقاله یک روش طراحی برای پوسته کروی فشار متوسط ​​چگالی حداقل یک هیدروفون بردار کروی هم‌ارتعاش را پیشنهاد می‌کند که اهمیت راهنمای نظری مهمی برای تحقق مهندسی دارد. تجزیه و تحلیل و محاسبه مواد مهندسی معمولی در اعماق دریا، و انتخاب آلیاژ آلومینیوم 7075T6 به عنوان ماده برای پوسته مقاوم در برابر فشار هیدروفون بردار. روش طراحی پوسته کروی مقاوم در برابر فشار حداقل چگالی متوسط، از طریق محاسبات نظری و شبیه‌سازی اجزای محدود، برای تعیین استحکام و پایداری پوسته اتخاذ شد. ابعاد خارجی هیدروفون برداری از حد بالایی فرکانس کاری آن تا 3000 هرتز پشتیبانی می کند و حساسیت آن 188-dB@500 هرتز است، خطای ثبات حساسیت سه کانال کمتر از 1.2 دسی بل است و نوسانات حساسیت همه کمتر از 0.8 دسی بل است. جهت دهی سه کانال رقم ایده آل هشت است. در مورد نویز چرخش مکانیکی، نقطه مقعر عمق نیز بالاتر از 29.8 دسی بل است.