هیدروفون مقاوم در برابر فشار بر اساس پوسته کروی سرامیکی پیزوالکتریک

بر اساس مقاومت فشاری پوسته کروی سرامیکی پیزوالکتریک ، یک هیدروفون مقاوم در برابر فشار با استفاده از مبدل پوسته کروی سرامیکی پیزوالکتریک با پشتوانه هوای قطبی شعاعی به عنوان عنصر حساس به آکوستیک طراحی و ساخته شد. ابتدا ویژگی‌های صوتی مانند مدار باز فرکانس پایین. حساسیت دریافت و فرکانس ارتعاش مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و با روش اجزای محدود شبیه‌سازی شد. سپس عملکرد مقاوم در برابر فشار مانند استحکام و پایداری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و با نرم افزار FE نیز شبیه سازی شد. در نهایت عملکرد صوتی و مقاومت فشاری آن مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج آزمایش نشان می دهد که قطر هیدروفون مقاوم در برابر فشار 36 میلی متر و محدوده فرکانس کاری آن از 50 هرتز تا 10 کیلوهرتز است. حساسیت فشار فرکانس پایین 198:4 دسی بل (0 dB ref 1 V/Pa)، سطح طیف نویز 46.5 دسی بل در 1 کیلوهرتز و عمق کاری آن 3000 متر است. این هیدروفون مقاوم در برابر فشار مرجعی برای طراحی هیدروفن های آب عمیق است و ارزش کاربردی مهمی در زمینه آکوستیک آب های عمیق دارد.

 

مقدمه

 

از زمان ورود به قرن بیست و یکم، تحقیق و توسعه اعماق دریا بیشتر و بیشتر مورد توجه قرار گرفته و به منطقه ای داغ برای رقابت بین کشورها تبدیل شده است. هیدروفون های مقاوم در برابر فشار تجهیزات ضروری برای توسعه در اعماق دریا هستند. علاوه بر این، با توسعه سریع فناوری نظامی در کشورهای مختلف، تجهیزات زیردریایی مختلف مانند زیردریایی ها، اژدرها، هواپیماهای بدون سرنشین زیرآبی (UUV)، گلایدرهای زیر آب (UUG)، ربات های زیر آب (ROV)، اهداف زیردریایی و غیره. با افزایش عمق، این دستگاه های اعماق آب معمولاً می توانند مجهز به تجهیزات هیدرولیک در عمق آب شوند که دستگاه های تحت فشار هیدرولیک خود را مجهز کنند. به منظور مقاومت در برابر اثرات فشار هیدرواستاتیک بالا، هیدروفون های مقاوم در برابر فشار معمولاً از ساختارهای ویژه مقاوم در برابر فشار یا طرح های تعادل فشار داخلی و خارجی استفاده می کنند، مانند سازه های کاهش فشار یا جبران فشار، سازه های پر از نفت، سازه های سرریز و غیره. سازه های پر از روغن و سرریز می توانند از نظر تئوری فشار استاتیکی کل سازه ای را که در برابر فشار مقاوم هستند تحمل کنند. هیدروفون ها هیدروفون های مقاوم در برابر فشار این دو ساختار عموماً از لوله سرامیکی پیزوالکتریک به عنوان مبدل گیرنده استفاده می کنند. این هیدروفون لوله سرامیکی پیزوالکتریک دارای مزایای ساختار و فناوری ساده است، اما همچنین دارای مزایای حساسیت ولتاژ مدار باز فرکانس پایین است. معایب. لوله پیزوالکتریک قطبی شعاعی شکاف دارد تا حساسیت دریافت را بهبود بخشد، اما همچنین باند فرکانس کاری را که تنها 10/200 هرتز است، بسیار باریک می کند. اگر باند فرکانس دریافتی هیدروفون لوله گرد سرامیکی پیزوالکتریک نزدیک فرکانس تشدید خود باشد، اگرچه حساسیت را می توان بهبود بخشید، باند فرکانس کاری آن به شدت محدود می شود و صافی منحنی حساسیت از بین می رود. علاوه بر مبدل های لوله گرد پیزوالکتریک، مبدل های پوسته کروی پیزوالکتریک نیز معمولاً از مبدل های دریافت کننده برای هیدروفون های فشار صوتی استفاده می شوند. مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک دارای مزایای زیادی مانند ساختار و فرآیند ساده، حساسیت بالا، همه جهت‌پذیری خوب و پهنای باند فرکانس کاری است. مهمتر از آن، ویژگی های مواد و ساختار تعیین می کند که پوسته کروی سرامیکی پیزوالکتریک مقاومت بالایی دارد. علاوه بر ساختار پر از روغن یا سرریز، این امکان دیگری را برای طراحی هیدروفون های مقاوم در برابر فشار فراهم می کند، یعنی استفاده از پوسته کروی پیزوالکتریک با پشتی هوا به عنوان مبدل گیرنده هیدروفون مقاوم در برابر فشار.

 

1 ویژگی های دریافت صوتی از مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک

 

 حساسیت دریافت فرکانس پایین

 

پوسته‌های کروی سرامیکی پیزوالکتریک که با توجه به شکل و فناوری پردازش محدود می‌شوند، معمولاً تنها یک حالت پلاریزاسیون دارند: قطبش شعاعی، و الکترودهای مثبت و منفی به ترتیب در سطوح داخلی و خارجی پوسته کروی قرار دارند. برای یک مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک با شعاع داخلی a و شعاع بیرونی b، هنگامی که تحت فشار صوتی p0 قرار می گیرد که فرکانس آن بسیار کمتر از فرکانس ذاتی آن است، اختلاف پتانسیل V بین الکترودهای داخلی و خارجی پوسته کروی پیزوالکتریک ایجاد می شود. حساسیت دریافت یک هیدروفون به طور کلی با حساسیت دریافت میدان آزاد Me بیان می شود. Me به عنوان نسبت ولتاژ مدار باز در خروجی هیدروفون به فشار صدای میدان آزاد در موقعیت هیدروفون در میدان صوتی تعریف می شود. شکل دسی بل آن حساسیت دریافت میدان آزاد است. . بنابراین، حساسیت ولتاژ دریافت مدار باز فرکانس پایین پوسته کروی پیزوالکتریک پشتیبان هوا. با این فرض که ماده پیزوالکتریک ماده مورد استفاده در این مقاله است، وقتی t ثابت باشد، b بزرگتر باشد، یعنی هرچه قطر بیرونی پوسته کروی پیزوالکتریک بیشتر باشد، حساسیت بالاتر است. وقتی b قطعی و t 0.36 باشد، حساسیت کمترین است و باید از این نکته در طراحی اجتناب شود. وقتی b معین باشد و t <0:36، t کوچکتر باشد، یعنی پوسته کروی پیزوالکتریک نازکتر باشد، حساسیت بالاتر است.

 

1.2 فرکانس تشدید

 

برای یک پیزوالکتریک نازک مبدل آکوستیک کروی زیر آب ، فرکانس تشدید آن در هوا. مشاهده می شود که فرکانس تشدید پوسته کروی پیزوالکتریک نازک تنها شعاع متوسط ​​آن r است و چگالی ماده s، مدول یانگ Y E11 مربوط به نسبت پواسون است که معادل ساده کردن آن به یک پوسته کروی از مواد الاستیک همسانگرد است. مشاهده می شود که وقتی ماده پیزوالکتریک تعیین می شود، هرچه شعاع متوسط ​​r پوسته کروی بزرگتر باشد، نقطه تشدید بالاتر و پهنای باند کار بیشتر می شود. هنگامی که در آب است، به دلیل افزایش امپدانس تابشی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک، فرکانس تشدید آن کمی کمتر از فرکانس تشدید در هوا خواهد بود. هنگامی که هیدروفون کروی پیزوالکتریک برای دریافت فرکانس پایین استفاده می شود، به منظور اطمینان از صاف بودن حساسیت آن، فرکانس کاری آن از فرکانس رزونانس آن بسیار دور است. در مهندسی عموماً لازم است که فرکانس رزونانس آن حداقل 5 برابر فرکانس حد بالایی کارکرد آن باشد.

 

 

 

2 تجزیه و تحلیل عملکرد مقاومت فشار مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک

 

حالت های شکست سازه های مقاوم در برابر فشار عمدتاً شامل شکست مقاومتی، شکست سختی، شکست پایداری و شکست خوردگی است. برای هیدروفون های با عمق زیاد، باری که تحمل می کند عمدتاً فشار آب خارجی است و حالت های شکست آن عمدتاً شکست مقاومت و شکست پایداری است. دو وضعیت خرابی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک در زیر مورد بحث قرار گرفته است.

 

2.1 تجزیه و تحلیل شکست مقاومت

شکست مقاومتی به پدیده ای اطلاق می شود که تغییر شکل یا شکست برگشت ناپذیر پس از اینکه حداکثر تنش در ظرف از حد تسلیم فراتر رفت، رخ می دهد و باعث می شود ظرف ظرفیت باربری خود را از دست بدهد. مربوط به شکست مقاومت، حداکثر فشار مجاز مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک است. طبق نظریه بدون گشتاور پوسته دوار، پوسته کروی تحت تأثیر فشار خارجی p، تنش کششی محوری z و تنش کششی حلقه‌ای ایجاد می‌کند و این دو از نظر ارزش برابر هستند. در میان آنها، D0 خارج از پوسته کروی است قطر، واحد میلی متر است. ضخامت پوسته کروی است، واحد میلی متر است. با توجه به تئوری حداکثر تنش اصلی، طراحی ساختار مقاوم در برابر فشار باید برآورده شود. از جمله آنها استرس مجاز است. با توجه به استاندارد ملی کشور من GB 150.3، برای استحکام تسلیم دمای معمولی استاندارد مواد Rel، ضریب ایمنی ns = 1:5 است. استحکام تسلیم دمایی معمولی ماده سرامیکی پیزوالکتریک P-51 مورد استفاده در پوسته کروی پیزوالکتریک Rel = 137:9 MPa است، بنابراین تنش مجاز ماده [] = Rel/ns = 91:9 MPa است. با جایگزینی پارامتر t، حداکثر فشار مجاز مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک را می توان به دست آورد، زیرا به راحتی می توان دانست که هر چه نسبت t ضخامت پوسته کروی به قطر خارجی بیشتر باشد، استحکام پوسته کروی پیزوالکتریک و قابلیت مقاومت فشار قوی تر است.

 

2.2 تجزیه و تحلیل شکست پایداری

خرابی پایداری به پدیده ای اطلاق می شود که ظرف تحت تأثیر بار خارجی از حالت تعادل پایدار به حالت ناپایدار دیگری تغییر می کند و شکل آن به طور ناگهانی تغییر می کند و قابلیت کار عادی خود را از دست می دهد. مربوط به شکست پایداری، فشار مجاز ناپایداری بحرانی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک است. بر اساس تئوری تغییر شکل کوچک، فشار ناپایداری بحرانی پوسته کروی تحت نیروی خارجی دارای خطای زیادی برای این فرمول است، بنابراین اغلب از یک ضریب ایمنی بزرگ برای جبران استفاده می‌شود. طبق GB 150.3، ضریب ایمنی پایداری m = 14:25 در نظر گرفته می شود، بنابراین فشار بحرانی مجاز برای ناپایداری محیطی [p] = pcr/m. با جایگزینی پارامتر t به همین ترتیب، فشار بحرانی مجاز برای ناپایداری محیطی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک به راحتی قابل تشخیص است. هنگامی که ماده پیزوالکتریک تعیین می شود، هرچه نسبت t ضخامت پوسته کروی به قطر خارجی بیشتر باشد، فشار بیشتر است. پایداری و مقاومت فشاری پوسته توپ الکتریکی قوی تر است.

 

3 شبیه سازی المان محدود

از تجزیه و تحلیل فوق، برای حساسیت و فرکانس کاری پوسته کروی پیزوالکتریک، هرچه قطر بیرونی بزرگتر باشد، نازک تر، بهتر است. و برای مقاومت فشاری آن، هرچه قطر بیرونی کوچکتر باشد، ضخامت آن بیشتر است. خوب است یعنی عملکرد آکوستیک و عملکرد مقاومت فشار متقابل هستند. با توجه به الزامات عملکرد آکوستیک و مقاومت فشاری و همچنین دشواری و هزینه پردازش پوسته کروی (معمولاً هرچه قطر بیرونی بزرگتر، ضخامت بیشتر، سختی پردازش بیشتر و هزینه بالاتر باشد)، شعاع بیرونی پوسته کروی طراحی b = 15 میلی متر، ضخامت = 3 میلی متر. ماده پیزوالکتریک مورد استفاده در پوسته کروی P-51 است، ضریب پیزوالکتریک آن g33 = 25: 6 10 3 V m/N، g31 = 9: 6 10 3 V m/N، چگالی s = 7600 کیلوگرم بر متر مکعب، مدول یانگ 10 = 100، 10، 10، 10، 1سون، Y1. نسبت = 0:36.

 

3.1 شبیه سازی ویژگی های صوتی پوسته کروی پیزوالکتریک

به منظور بررسی صحت تجزیه و تحلیل مشخصه های دریافت صوتی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک، برای مدل سازی و شبیه سازی آن از روش تحلیل اجزا محدود و نرم افزار شبیه سازی COMSOL5.4 استفاده شده است.

 

3.1.1 دریافت شبیه سازی حساسیت

ابتدا یک مدل ساختار پوسته کروی سه بعدی ایجاد کنید. به منظور ساده‌سازی هندسه مدل‌سازی و سرعت بخشیدن به حل، مدل فقط 1/8 پوسته‌های کروی پیزوالکتریک ایجاد می‌کند و از 3 محدودیت تقارن صفحه برای رسیدن به یک پوسته کروی کامل استفاده می‌کند. یک سیستم مختصات قطبش شعاعی مواد پیزوالکتریک در مختصات کروی ایجاد کنید و از پارامترهای مواد ماده پیزوالکتریک P-51 استفاده کنید. بار مرزی را به صورت فشار 0.1 مگاپاسکال بر روی سطح بیرونی و بدون فشار بر روی سطح داخلی تنظیم کنید. با انجام تجزیه و تحلیل دامنه فرکانس، به عنوان یک مشکل حالت پایدار حل می شود. شکل 2 نتایج شبیه سازی توزیع پتانسیل پوسته کروی پیزوالکتریک را هنگامی که تحت فشاری با فرکانس 500 هرتز و فشار 0.1 مگاپاسکال قرار می گیرد، نشان می دهد.

با جایگزینی پارامترهای اندازه و مواد پوسته کروی پیزوالکتریک در فرمول، مدار باز نظری زمانی که تحت فشار صدای فرکانس پایین 0.1 مگاپاسکال قرار می‌گیرد به دست می‌آید.

ولتاژ خروجی 11.646 V است. از شکل 2 می توان دریافت که وقتی پوسته کروی پیزوالکتریک تحت فشار صوتی 0.1 MPa@500 هرتز قرار می گیرد، نتیجه شبیه سازی ولتاژ خروجی آن 11.632 V است که با مقدار نظری مطابقت دارد. در این زمان حساسیت آن 198.7 dB@500 هرتز (0dB = 1 V/Pa) است.

 

3.1.2 شبیه سازی فرکانس تشدید

در ادامه نیز از روش شبیه سازی اجزا محدود برای شبیه سازی فرکانس تشدید پوسته کروی سرامیکی پیزوالکتریک استفاده می شود و باند فرکانسی شبیه سازی 1 هرتز/200 کیلوهرتز است. ابتدا ماده پوسته کروی پیزوالکتریک به یک ماده الاستیک همسانگرد ساده شده و تحلیل رفت و برگشت فرکانس روی آن انجام می شود و منحنی پاسخ فرکانسی تغییر شکل آن در شکل 3 نشان داده شده است. طبق فرمول (3)، فرکانس رزونانس fa پوسته کروی پیزوالکتریک در هوا k58.5.5 تا k5Hz به دست می آید. از شکل 3 می توان دید که مقدار شبیه سازی شده فرکانس تشدید 58.9 کیلوهرتز است که اساساً با مقدار نظری مطابقت دارد. لازم به ذکر است که فرمول (3) فقط یک محاسبه ساده شده برای پوسته کروی نازک همسانگرد است و مواد پوسته کروی پیزوالکتریک همسانگرد نیست و ضخامت نسبتاً ضخیم است، با اعمال مستقیم فرمول (3) خطاهای خاصی خواهد داشت. اگر پارامترهای کامل سرامیک‌های پیزوالکتریک جایگزین شوند، منحنی پاسخ فرکانسی حساسیت ولتاژ مدار باز در شکل 4 نشان داده شده است. مطابق با تحلیل نظری فرکانس تشدید 72.1 کیلوهرتز می شود که کمی بزرگتر از نتیجه محاسباتی فرمول (3) است، اما بر اعتبار فرمول در کاربردهای مهندسی تأثیری نمی گذارد. از آنجایی که ضریب میرایی مربوطه مواد پیزوالکتریک را نمی توان به دست آورد، ضریب تلفات ماتریس انعطاف پذیری و ضریب تلفات ماتریس پیزوالکتریک در مدل 0 تنظیم شده است، که منجر به شبیه سازی می شود که حساسیت پوسته کروی پیزوالکتریک در فرکانس رزونانس باید 155 دسی بل کمتر از این مقدار باشد.

3.2 شبیه سازی عملکرد مقاومت فشاری پوسته کروی پیزوالکتریک

فرمول محاسبه نظری مقاومت فشار در بخش 2 یک فرمول ساده شده است که برای راحتی کاربرد مهندسی و پوسته کروی پیزوالکتریک واقعی خلاصه شده است. سوراخ ها به دلیل نیاز به نصب باز می شوند که ممکن است باعث شود ظرفیت فشار واقعی با نتایج محاسبات نظری مغایرت داشته باشد. برای به دست آوردن قابلیت فشار مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک تا حد امکان دقیق، شبیه‌سازی استاتیک ساختار و شبیه‌سازی کمانش مقدار ویژه به ترتیب از طریق نرم‌افزار تحلیل اجزا محدود Workbench انجام شد.

 

3.2.1 شبیه سازی استاتیکی سازه

شبیه سازی استاتیکی سازه می تواند توزیع تنش را در سرتاسر سازه زمانی که سازه تحت بار است به دست آورد. بنابراین حداکثر تنش مجاز ماده شناخته شده است

حداکثر فشار مجاز آن را می توان شبیه سازی کرد. یک مدل سه بعدی از پوسته کروی ایجاد می شود و سوراخ های نصب روی مدل پوسته کروی تنظیم می شود. پوسته کروی را بپذیرید

روش شش وجهی برای تقسیم شبکه استفاده می شود و تکیه گاه های غلتکی بر روی سطح استوانه ای و صفحه پایینی سوراخ نصب قرار می گیرند و فشار به سطح خارجی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک اعمال می شود.

به طور مداوم اندازه فشار را تغییر دهید و آنالیز استاتیکی ساختاری را روی آن انجام دهید. شبیه سازی نشان داد که وقتی فشار اعمال شده بر روی سطح خارجی به 28 مگاپاسکال می رسد، پیزوالکتریک

حداکثر تنش پوسته کروی 151 مگاپاسکال است و توزیع تنش آن در شکل 5 نشان داده شده است (به منظور تسهیل مشاهده تنش داخلی، پوسته کروی پیزوالکتریک در امتداد خط مرکزی بریده شده است تا نشان داده شود.

نمایش). لازم به ذکر است که حداکثر تنش فقط در خط مرزی فیله در سوراخ نصب رخ می دهد و حداکثر تنش در سایر نقاط کمتر از این است.

تنش مجاز ایمن مواد پیزوالکتریک 91.9 مگاپاسکال است، بنابراین حداکثر فشار مجاز پوسته کروی پیزوالکتریک طبق شبیه سازی می تواند به 28 مگاپاسکال برسد. و ریشه

طبق فرمول (6) حداکثر فشار مجاز مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک را می توان 36.8 مگاپاسکال به دست آورد. مشاهده می شود که مقاومت فشاری پوسته کروی پس از سوراخ شدن کمتر از پوسته کامل است.

استحکام نظری کل پوسته کروی. در شبیه‌سازی، پدیده تمرکز تنش که در چند مکان در سوراخ نصب ظاهر می‌شود، از تنش مجاز ایمنی فراتر می‌رود، و اینکه آیا بر مقاومت فشار پوسته کروی پیزوالکتریک تأثیر می‌گذارد یا خیر، باید با آزمایش فشار تأیید شود.

 

3.2.2 شبیه سازی کمانش مقدار ویژه

شبیه‌سازی کمانش مقدار ویژه می‌تواند حالت‌های کمانش سازه‌های پوسته نازک و فشارهای کمانش بحرانی مربوطه را به دست آورد. فشار 1 مگاپاسکال به سطح بیرونی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک اعمال شد و آنالیز کمانش مقدار ویژه آن انجام شد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که حالت کمانش مرتبه اول در شکل 6 و عدد موج مرتبه اول n=4 نشان داده شده است که با ویژگی های ناپایداری پوسته کروی مطابقت دارد. ضریب بار کمانش مرتبه اول 3379 است، بنابراین بار بحرانی مرتبه اول آن 3379 مگاپاسکال است. از آنجایی که مرتبه اول کمترین مقدار بار کمانش است، به این معنی است که ساختار پوسته کروی پیزوالکتریک تا زمانی که فشار نظری به 3379 مگاپاسکال نرسد، پایدار نخواهد بود. طبق فرمول (7)، فشار بحرانی ناپایداری محیطی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک را می توان 2970 مگاپاسکال بدست آورد که اساساً با نتایج شبیه سازی مطابقت دارد. نتایج شبیه‌سازی المان محدود نشان می‌دهد که حداکثر فشار مجاز مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک 28 مگاپاسکال و فشار بحرانی کمانش آن 3379 مگاپاسکال است که نشان می‌دهد وقتی فشار خارجی به افزایش ادامه می‌دهد، پوسته کروی پیزوالکتریک تغییر می‌کند. متر

 

4 توسعه و آزمایش عملکرد هیدروفون فشار کروی

4.1 توسعه هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار

در این مقاله، یک هوا پشتیبان قطبی شعاعی مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک به عنوان سنسور دریافت صوتی استفاده می شود و یک هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار طراحی و ساخته شده است. شعاع بیرونی پوسته کروی پیزوالکتریک مورد استفاده در هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار 15 میلی متر، ضخامت پوسته کروی 3 میلی متر و مواد سرامیکی پیزوالکتریک مورد استفاده برای پوسته کروی P-51 است. داخل پوسته کروی پیزوالکتریک یک حفره است و بیرونی ترین لایه با لایه ای از لاستیک قابل نفوذ صدا برای عایق بندی، مهر و موم کردن و محافظت پوشانده شده است. ضخامت لاستیک قابل نفوذ صدا 3 میلی متر است. جسم فیزیکی یک هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار. قطر کل هیدروفون 36 میلی متر است.

 

 

4.2 تست عملکرد هیدروفون فشار کروی

 

4.2.1 دریافت تست حساسیت

هیدروفون کروی تمام شده مقاوم در برابر فشار در یک لوله موج ایستاده قرار می گیرد و حساسیت دریافت مدار باز فرکانس پایین آن با روش مقایسه آزمایش می شود. مقاوم در برابر توپ

هیدروفون فشار و هیدروفون استاندارد به طور همزمان در یک ارتفاع در لوله موج ایستاده آویزان می شوند و فرکانس انتشار منبع صدای لوله موج ایستاده را تغییر می دهند و هر دو را همزمان ضبط می کنند.

از طریق روش مقایسه، حساسیت دریافتی از هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار به دست می آید. لوله موج ایستاده مورد استفاده تنها می تواند ترکیبی از 50 1000 هرتز را تولید کند

موج ایستاده شبکه، بنابراین باند فرکانس اندازه گیری این بار 50 1000 هرتز است. نتایج اندازه گیری منحنی حساسیت هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار در شکل 8 نشان داده شده است.

نتیجه آزمایش نشان می دهد که حساسیت هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار در باند فرکانس 50 1000 هرتز حدود 198.4 دسی بل است که اساساً با مقدار نظری مطابقت دارد. در

در محدوده 50 1000 هرتز، نوسان حساسیت از 0.5 دسی بل تجاوز نمی کند. لوله موج ایستاده را فقط می توان زیر 1 کیلوهرتز کالیبره کرد. برای باند فرکانسی 1 کیلوهرتز تا 10 کیلوهرتز، اندازه گیری در یک مخزن آنکوئیک انجام می شود. هیدروفون کروی تمام شده مقاوم در برابر فشار و هیدروفون استاندارد را در همان موقعیت مخزن آنکوئیک قرار دهید، از منبع صدا برای پخش سیگنال های تک فرکانس فرکانس های مختلف استفاده کنید و از روش مقایسه برای تکمیل اندازه گیری حساسیت گیرنده استفاده کنید. نتایج اندازه‌گیری شده منحنی حساسیت هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار در فرکانس‌های 1 کیلوهرتز و 10 کیلوهرتز در شکل 9 نشان داده شده است. از نتایج آزمایش می‌توان دریافت که حساسیت هیدروفن کروی مقاوم در برابر فشار در باند فرکانسی 1 کیلوهرتز و 10 کیلوهرتز حدود 198 است که از نظر با مقدار پایه مطابقت دارد. در محدوده 1 کیلوهرتز تا 10 کیلوهرتز، نوسان حساسیت از 1.4 دسی بل تجاوز نمی کند.

 

4.2.2 تست خود نویز

 

برای اطمینان از اینکه هیدروفون می‌تواند سیگنال‌های صوتی ضعیف را دریافت کند، هیدروفون باید خود نویز کمتری داشته باشد. هیدروفون فشار کروی

این در یک مخزن خلاء با محافظ الکترومغناطیسی، میرایی و کاهش ارتعاش قرار می گیرد و آزمایش خود نویز بر روی کارت دریافت سیگنال BK-3050 با نویز بسیار کم انجام می شود.

طیف خود نویز معادل هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار در خط یکپارچه قرمز رنگ در شکل 10 نشان داده شده است. خط نقطه چین سیاه در شکل 10 اولین تحقیق در مورد نویز اقیانوس است. سطح طیف نویز پس زمینه اقیانوس حالت دریا در سطح صفر که توسط Kundson [9] خلاصه شده است. با توجه به منحنی کوندسون، نویز پس‌زمینه اقیانوس در حالت دریا 0 است. سطح طیف صدا حدود 44 دسی‌بل@1 کیلوهرتز است. لازم به ذکر است که این داده ها یک نتیجه تحقیقاتی در سال 1948 است. در سال های اخیر به عنوان کشتیرانی جهانی

با توسعه سریع، سر و صدای پس زمینه اقیانوس سال به سال افزایش می یابد. خط نقطه‌دار آبی در شکل 10 سطح طیف نویز پس‌زمینه دریای چین جنوبی در سال 2013 در سطح 0 خط شرایط دریا است، می‌توان مشاهده کرد که سطح طیف خود نویز معادل هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار پایین‌تر یا مساوی با سطح 0 حالت دریا در محدوده 100z وضعیت دریا کمی بالاتر است. نویز پس زمینه اقیانوس در محدوده 1500 5000 هرتز. طیف خود نویز معادل آن در 1000 هرتز است. سطح آن 46.5 دسی بل است.

 

4.2.3 تست عملکرد ولتاژ مقاومت

به منظور بررسی قابلیت مقاومت فشاری هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار ، نمونه ای از هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار برای آزمایش فشار در اتوکلاو قرار داده شد. برای اطمینان از ایمنی، سیستم تست با آب پر فشار تحت فشار قرار می گیرد. طبق تحلیل قبلی، ظرفیت مقاومت فشار ایمن آن 28 مگاپاسکال است که زیر 1.5 برابر ضریب ایمنی است.

نتیجه به دست آمده، یعنی توانایی فشار نهایی نظری آن 42 مگاپاسکال است. به منظور ایجاد تعادل بین ایمنی و سهولت استفاده، در اینجا گرد شده است

30 مگاپاسکال برای تست. در طول آزمایش، ابتدا تا 30 مگاپاسکال فشار دهید، فشار را به مدت 3 ساعت نگه دارید، فشار را آزاد کنید و هیدروفون را بررسی کنید. سپس مجدداً تا 30 مگاپاسکال فشار دهید و آزمایش را 3 بار تکرار کنید. هیچ افت فشار قابل توجهی در طول کل فرآیند فشار رخ نداد. پس از هر بار فشار دادن، هیدروفون مورد آزمایش را بررسی کنید. ظاهر آسیبی نمی بیند. وزن گیری قبل و بعد از آزمایش ثابت است. سپس حساسیت دوباره در لوله موج ایستاده آزمایش می شود. نتیجه آزمایش نشان می دهد که حساسیت اساساً با حساسیت قبل از فشار یکسان است. این ثابت می کند که می تواند فشار 3000 متر آب را تحمل کند.

 

5 نتیجه گیری

در این مقاله از ترکیبی از فرمول نظری و شبیه‌سازی اجزای محدود استفاده شده است و ساختار پوسته کروی پیزوالکتریک و مواد دارای قابلیت مقاومت در برابر فشار هستند و مبدل پوسته کروی پیزوالکتریک با پشتی هوای قطبی شعاعی به عنوان عنصر حساس دریافت کننده صوتی استفاده شده است. و یک هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار ساخت. قطر هیدروفون کروی مقاوم در برابر فشار 36 میلی متر، باند فرکانس کاری 50 هرتز 10 کیلوهرتز، حساسیت فرکانس پایین 198.4 دسی بل، سطح طیف خود نویز معادل 46.5 دسی بل در 1 کیلوهرتز، و عمق کاری 30 متر است. طرح پوسته کروی پیزوالکتریک با پشتی هوا که در این مقاله استفاده شده است، ظرفیت مقاومت فشار معینی را تحت شرایط حساسیت بالا به دست آورده است. اگر قرار است عمق مقاومت فشار به طور مداوم بهبود یابد، حساسیت باید با هزینه از بین برود. این راه حل می تواند به مقاومت فشار نسبتاً محدودی دست یابد. اگر هیدروفون نیاز به مقاومت فشار بیشتری دارد (مانند عمق کامل دریا)، بهتر است محلول پر از روغن یا سرریز را انتخاب کنید.