Ko-värähtelyvektorihydrofonin pallomaisen kuoren optimaalinen suunnittelu(2)

Hydrofonin muoto on vakio pallomainen akustinen anturi . Hydrofonin pallomainen kuori koostuu ylä- ja alapuoliskosta. Kahden pallonpuoliskon ulkosäde on 36 mm, alemman pallonpuoliskon seinämän paksuus on 3 mm ja ylemmän pallonpuoliskon seinämän paksuus on 4 mm. Aksiaalitiivistykseen käytetään kumia O-rengasta keskellä. Vaipan paineettoman osan laadun minimoimiseksi valitaan amerikkalainen standardi O-rengas, joka on kansallista standardia ohuempi vähentämään O-renkaan asennusuran leveyttä. Ylä- ja alapuoliskot on kiinnitetty pallomaisen vaipan kierteillä, jolloin kiinnityspulttien asennusasentoa ei tarvitse lisätä, vaan myös kuoren paineeton osa tulee tehdä mahdollisimman pieneksi. Koska ylä- ja alapuoliskot on kiinnitetty kierteillä, kahden pallonpuoliskon kohdistusasento on satunnainen kiristyksen aikana. Siksi 4 jousiripustusreikää on jaettu tasaisesti pallomaisen kuoren ulkopinnan keskelle kahden symmetrisesti jakautuneen kahden puolipallon muotoisen kuoren sijaan. Silmukkajousen jousitusreikä. Tee alapuoliskosta hieman suurempi ja ylemmästä hieman pienemmäksi, jotta kaikki keskellä olevat jousitusreiät sijaitsevat alemmalla pallonpuoliskolla. Tärinätunnistin käyttää kolmiakselista pietsosähköistä kiihtyvyysanturia. Kiihtyvyysanturi asennetaan pallomaisen kuoren keskelle kannakkeen kautta ja signaalinkäsittelypiiri on asennettu kannattimen toiselle puolelle. Huomaa, että tämä 'keskus' sijaitsee myös alemmassa puolipallon muotoisessa kuoressa, joten kun molemmat pallonpuoliskot kiristetään, riippumatta ylä- ja alapuoliskon välisestä kulmasta, se ei vaikuta kiihtyvyysmittarin kohdistukseen jousitusreiän suuntaan. Kun kokoonpano on valmis, koko vektorihydrofonin painopisteen tulee olla sama kuin pallomaisen kuoren keskusta vedenalainen akustinen anturi niin paljon kuin mahdollista. 3D-mallinnusohjelmisto laskee automaattisesti kuvan 1 hydrofonin painopisteen sijainnin ja se sijaitsee vektorihydrofonin geometrisessa keskipisteessä. Suunnitellun paineenkestävän pallomaisen vaipan heikko alue on O-renkaan uran ja pallomaisen vaipan välinen yhteys ja lävistysosan aukko. Lisää O-renkaan uran ja pallomaisen vaipan välistä yhteyttä varten suuri filee, jotta siirtyminen sujuu jännityksen keskittymisen vähentämiseksi. Lävistysosan avaamista varten toisaalta lisää reiän seinämän paksuutta reiän seinämän lujuuden lisäämiseksi, toisaalta lisää suuria pyöreitä kulmia reiän seinämän ja pallomaisen kuoren sisäpinnan väliseen siirtymäkohtaan sekä reiän seinämän ja pallomaisen kuoren ulkopinnan väliseen siirtymäkohtaan. Ylemmän puolipallon muotoisen kuoren avautumisen aiheuttaman lujuuden heikkenemisongelman kompensoimiseksi ylemmän puolipallon muotoisen kuoren paksuutta lisättiin 1 mm kokonaisuutena. Lisäksi varaston läpi jyrsimiseen käytetyt paineenkestävät teräspultit ovat vahvempia, umpipultteja vastaavat ja tukevat kierrereikiä.

 

4.5 Vektorihydrofonin paineenkestävän kuoren suoritussimulaatio

Kuvasta 1 voidaan nähdä, että vektorihydrofonin suunniteltu painetta kestävä pallomainen kuori ei ole enää ihanteellinen pallomainen kuori. Suurin vaikutus paineenkestävään suorituskykyyn on suuremman kierrereiän avautuminen yläpuoliskolla. Reiän vaikutus on lisännyt ylemmän pallonpuoliskon paksuutta 1 mm. Näitä muutoksia ei ole teoriassa laskettu. Seuraavassa käytetään elementtianalyysimenetelmää rakenteellisen staattisen simulaation ja ominaisarvon nurjahduksen simulaation suorittamiseksi vektorihydrofonin pallomaisen kuoren kolmiulotteiselle mallille varmistaakseen, kestääkö suunniteltu vektorihydrofoni 30 MPa:n ulkoista painetta. Elementtisimulointiohjelmistona on käytetty ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Rakenteen staattinen simulointi

Tuo kolmiulotteinen digitaalinen malli vektorihydrofonin pallomainen kuori elementtisimulointiohjelmistoon, aseta kuorimateriaaliksi 7075T6 alumiiniseos ja aseta kosketustila ylemmän kuoren ja pistokkeen sekä ylä- ja alakuoren välillä sidostilaan , Heksaedrimenetelmää käytetään mallin meshissä, silmäkoko on asetettu maksimikokoon 8 mm, ja 0. Siirtymät x-, y- ja z-suunnissa asetetaan arvoon 0 pistokkeen yläpinnalla mallin käännöksen rajoittamiseksi; tulpan lieriömäiselle ulkopinnalle asetetaan lieriömäinen pintarajoitus ja tangentiaalinen suunta on kiinteä mallin pyörimisen ja pyörimisen rajoittamiseksi. Aksiaalinen ja radiaalinen vapaa; aseta 30 MPa:n painekuorma kaikille hydrofonin kuoren ulkopinnoille (mukaan lukien O-renkaan uran sisäpinta) ja suorita sille rakenteellinen staattinen analyysi. Simulaatiolla saatu hydrofonin kuoren jännitysintensiteettijakauma on esitetty kuvassa 2. Jännitysintensiteetti on valittu analysoitavaksi, koska se on kolmanteen intensiteettiteoriaan perustuva ekvivalenttijännitys, tulos on turvallisempi ja se soveltuu paineastiaanalyysiin.

Hydrofonikuoren keskellä olevan O-renkaan uran (jota voidaan pitää jäykistävä riparenkaana) aiheuttaman rengasmaisen pullistuman jännitysvoimakkuus on pieni; hydrofonikuoren ylemmän ja alemman puolipallon kuoren keskiosan jännitysintensiteetin simulaatioarvo on pienin , Sen arvo on alle 202,7 MPa, ei sisällä epäjatkuvuutta ja jännityskeskittymää, sitä voidaan pitää ensisijaisena kalvon kokonaisjännitysvoimakkuutena, kaavan (6) mukaan, ensisijaisen jännityksen teoria on kokonaisjännitys, kalvon maksimijännitys (-t) kuori Laskettu arvo on 187,8 MPa, mikä on periaatteessa yhdenmukainen simulaatiotulosten kanssa. Jännitysintensiteetti useimmilla ylemmän ja alemman pallomaisen kuoren sisäpinnan alueilla on suhteellisen suuri ja sen arvo on alle 243,2 MPa. Jännitys tässä kohdassa kuuluu ensisijaiseen taivutusjännitykseen ja täyttää rajan, joka on alle 1,5 kertaa sallittu jännitys. Alemman puolipallon muotoisen kuoren ja keskellä olevan rengasmaisen ulkoneman risteyksessä on rengasmainen suuri jännitysvyöhyke, jännitysintensiteetti on noin 324,2 MPa, jännitys tässä on primäärijännitys plus toisiojännitys ja sen arvo on alle 3 kertaa sallittu jännitys, joka täyttää suunnitteluvaatimukset. Paikallisia jännityskeskittymiä on kohdassa, jossa ylemmän puolipallon muotoisen vaipan yläosa koskettaa tulppaa ja muutamassa paikassa O-renkaan urassa. Maksimijännitys on 405,2 MPa, joka kuuluu primäärijännitykseen plus toisiojännitykseen plus huippujännitykseen. Tämä jännitys ei vaikuta Lujuusvaurion vaikutus vaikuttaa pääasiassa painevaipan väsymisvaurioon. Siksi vektorihydrofonin pallomainen kuori kestää 30 MPa:n ulkoista painetta ilman lujuusvaurioita.

 

4.5.2 Ominaisarvon lommahduksen simulointi

Seuraavaksi hydrofonin pallomaisen kuorimallin ulkopinnan painekuormitus muutetaan 1 MPa:ksi ja rakenteellisen staattisen analyysin tulosten perusteella suoritetaan ominaisarvon nurjahdusanalyysi. Hydrofonin pallomaisen kuoren ensimmäisen asteen nurjahdusmuodon kokonaismuodonmuutos on esitetty kuvassa 3.

Kuvasta 3 voidaan nähdä, että muodonmuutos tapahtuu pääasiassa alemmalla pallonpuoliskolla, koska mitä ohuempi pallomainen kuori on, sitä huonompi on stabiilisuus. Ensimmäisen kertaluvun nurjahduskuormituskerroin on 680,35, joten hydrofonin pallomaisen kuoren kriittisen epävakauden paineen simulaatioarvo on 680,35 MPa, mikä on hieman korkeampi kuin kehän epävakauden kriittinen paine, joka lasketaan kaavalla 611,6 MPa. Siksi vektorihydrofonin pallomainen kuori kestää 30 MPa:n ulkoista painetta ilman stabiilisuushäiriöitä.

 

4.6 Vektorihydrofonien tuotanto

Ylempi ja alempi puolipallon muotoinen kuori vektorihydrofonianturi käsitellään CNC-työstökoneilla. Materiaali on 7075-T6 alumiiniseosta, ja pinta on anodisoitu muodostamaan tiheä oksidisuojakalvo, joka parantaa pinnan kovuutta ja estää meriveden korroosiota. Valmis kovärähtelypallovektorihydrofoni on esitetty kuvassa 4. Varsinaisen mittauksen jälkeen sen massa on 274,7 g ja tiheys 1,40 × 103 kg/m3. Vektorihydrofonin ulkosäde on Ro=36 mm, ja yhtälöön (4) korvattuna tämän hydrofonin koko tukee sen toimintataajuuden ylärajaa fmax=2653 Hz. Pyöristä sen toimintataajuuden yläraja 3000 Hz:iin käytön helpottamiseksi. Tällä hetkellä kRo=0,45239, tiheyssuhde 0r / r =1,40, korvaa yhtälöt (1) ja (2) yhtälöillä (1) ja (2), jotta saadaan v/v0=0,77, maksimi Vaihe-ero on vain 0,15 ° , mikä täyttää sovellusvaatimukset.

 

5 Vektorihydrofonin suorituskykytesti

Sen tarkistamiseksi, täyttävätkö suunnitellun ja valmistetun kovärähtelypallovektorihydrofonin akustiset suorituskyky ja paineenkesto vaatimukset, hydrofoninäytteet sijoitetaan seisovaaaltoputkeen herkkyys- ja suuntaustestejä varten ja staattinen painetesti suoritetaan autoklaavissa.

 

5.1 Herkkyystesti

Yhteisvärähtelyssä käytetyn kolmiakselisen pietsosähköisen kiihtyvyysmittarin herkkyys vedenalainen vektorihydrofoni tässä artikkelissa on Ma=2500 mV/g. Vektorihydrofonin värähtelynopeuden herkkyys ilmaistaan ​​yleensä vastaavalla vapaan kentän äänenpaineherkkyydellä Mp. Mp:n ja Ma:n välillä on seuraava muunnossuhde. Hydrofonin keskimääräisen tiheyden todellisen mitatun arvon korvaaminen yhtälöllä (3) voidaan saada | v/v0|=0,7895, korvaamalla tämä arvo yhtälöön (16), vektorihydrofonin teoreettisen ekvivalentin äänenpaineherkkyyden ja ääniaaltotaajuuden välinen suhde voidaan saada, kuten näkyy mustalla yhtenäisellä viivalla kuvassa 5. 500 Hz:llä vektorihydrofonin vektorikanavan teoreettinen herkkyys on -Bd18. 1V/μPa, poislukien hydrofonin sisäänrakennetun esivahvistimen vahvistuskerroin), mikä lisää herkkyyttä 6 dB per oktaavi. Vektorihydrofonin värähtelynopeuden herkkyys testataan seisova-aaltoputkessa vertailumenetelmällä ja seisovan aaltoputken tehollinen taajuuskaista on 100-1000 Hz. Kovibraatiopallovektorihydrofonin kunkin kanavan herkkyyden mitatut tulokset on esitetty kuvassa 5 punaisilla tähtipisteillä. Voidaan nähdä, että kolmen vektorikanavan herkkyyden mitatut käyrät ovat periaatteessa yhdenmukaisia ​​teoreettisten käyrien kanssa. X-, Y- ja Z-kanavien herkkyys 500 Hz:llä ovat -188,9, -188,1 ja -187,6 dB. Mittaustaajuuskaistan jokaisen vektorikanavan herkkyyskonsistenssin virhe ei ylitä 1,2 dB; pienimmän neliösumman menetelmää käytetään kolmen kanavan herkkyyskäyrän sovitetun kulmakertoimen löytämiseen, ja kolmen kanavan herkkyystietojen ja vastaavan kulmakertoimen välinen maksimiero on alle 0,8 dB, eli hydrofonin herkkyystason epävakaus on alle 0,8 dB; herkkyys kasvaa 6 dB per oktaavi, mikä on yhdenmukainen teoreettisen suuntauksen kanssa.

 

5.2 Suuntavuustesti

 

Yhteisvärähtelyn pallomaisen vektorihydrofonin kolmella vektorikanavalla tulisi teoriassa olla kosinisuuntaus taajuudesta riippumaton. Pyörimismenetelmällä mitataan yhdessä värähtelevän pallomaisen vektorihydrofonin suuntaavuus seisovaaaltoputkessa, ja kiertotestin kulmaväli on 0,4°. X-, Y- ja Z-kanavien suuntaavuus testattiin taajuudella 100, 500 ja 1000 Hz. Tulokset osoittavat, että X-, Y- ja Z-kanavilla on hyvä kosinisuuntaus kolmessa taajuuspisteessä. X-, Y- ja Z-kanavien suuntauskäyrät taajuudella 500 Hz on esitetty kuvassa 6. Näkee, että X-kanavan suuntauskäyrän pienin kuoppasyvyys on 34,1 dB ja Y-kanavan suuntauskäyrän pienin kuoppasyvyys on 29,8 dB. Kanavan suuntauskäyrän pienin kuoppasyvyys on 38,9 dB. Koska ääniaallon tuottama signaali mitattavalla kanavalla, kun vektorihydrofoni on koverassa kohdassa, on erittäin pieni, pyörivä järjestelmä ei pysähdy testausjärjestelmän toimiessa ja pyörivän järjestelmän mekaaninen värähtely ja melu välittyvät suoraan vektoriin ripustusjousen kautta. Hydrofonissa mitattavalle kanavalle syntyvä signaali on usein paljon suurempi kuin akustinen signaali, joten mittauksella saadun kuopan syvyys on huomattavasti todellista arvoa pienempi. Silti pienin kuoppasyvyys kolmessa vektorikanavassa on 29,8 dB, mikä voi täyttää sovellusvaatimukset.

 

5.3 Kestojännitetesti

Kovibroivan pallomaisen hydrofonin staattinen painekoe suoritettiin autoklaavissa. GB 150.1:n mukaan ulkoisen paineastian hydraulisessa testissä testipaineeksi tulee ottaa 1,25-kertainen mitoituspaine. Vektorihydrofonin mitoituspaine on 30 MPa, joten painetestin maksimipaine on 37,5 MPa. Testin aikana simuloitiin hydrofonin liukumistilaa vedenalaisen purjelentokoneen profiilia pitkin. Ensin paine nostettiin 37,5 MPa:iin vakionopeudella ja painetta pidettiin yllä puoli tuntia, sitten paine vapautettiin hitaasti ja paine nostettiin jälleen 37,5 MPa:iin vakionopeudella ja sykli toistettiin 5 kertaa. Autoklaavissa ei ollut äkillistä paineen laskua koko paineistusprosessin aikana. Kahden hydrofoninäytteen ulkonäkö ennen ja jälkeen puristamisen ei vaurioitunut, ja paino oli sama. Sitten hydrofonin akustinen suorituskyky testattiin uudelleen seisovaaaltoputkessa. Testitulokset osoittivat, että hydrofoni toimi normaalisti vaimennuksen jälkeen ja sen herkkyys ja suuntaus olivat periaatteessa samat kuin ennen vaimennusta. On todistettu, että yhteisvärähtelevä pallomainen vektorihydrofoni kestää 37,5 MPa:n vedenpainetta.

 

6 Johtopäätös

Suuren syvyysvektorihydrofonin paineenkestävyyden ja akustisen suorituskyvyn vaatimusten mukaisesti tässä artikkelissa ehdotetaan suunnittelumenetelmää yhteisvärähtelyn pallomaisen vektorihydrofonin pienimmän keskitiheyden paineen pallomaiselle kuorelle, jolla on tärkeä teoreettinen ohjaava merkitys teknisen toteutuksen kannalta. Analysoitu ja laskettu tyypillisiä syvänmeren teknisiä materiaaleja ja valittu 7075T6-alumiiniseos vektorihydrofonin paineenkestävän kuoren materiaaliksi; hyväksyi vähimmäiskeskimääräisen tiheyden paineenkestävän pallomaisen kuoren suunnittelumenetelmän teoreettisten laskelmien ja elementtisimulaatioiden avulla kuoren lujuuden ja vakauden määrittämiseksi. Suuren syvyisen yhteisvärähtelyvektorihydrofonin suunnittelu ja toteutus on läpäissyt 37,5 MPa:n vedenpainetestin; vektorihydrofonin ulkomitat tukevat sen toimintataajuuden ylärajaa 3000 Hz asti, ja herkkyys on -188 dB@500 Hz, kolmen kanavan herkkyyskonsistenssin virhe on alle 1,2 dB ja herkkyysvaihtelut ovat kaikki alle 0,8 dB. Kolmen kanavan suuntaavuus on ihanteellinen kahdeksasluku. Mekaanisen pyörimismelun tapauksessa kovera piste Syvyys on myös suurempi kuin 29,8 dB.