सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के गोलाकार खोल का इष्टतम डिजाइन(1)

सार: गहरे पानी के वेक्टर हाइड्रोफोन की संरचनात्मक दबाव समस्या का लक्ष्य रखते हुए, बाहरी दबाव गोलाकार खोल का अधिकतम तनाव सूत्र प्राप्त किया जाता है, और सह-कंपन की सामग्री और आयामों का प्रभाव गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन का विश्लेषण यहां किया गया है। इसके ध्वनिक प्रदर्शन और दबाव प्रदर्शन पर इसके आधार पर, न्यूनतम औसत घनत्व पतली दीवार वाले दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल की एक डिजाइन विधि दी गई है। विशिष्ट गहरे समुद्र इंजीनियरिंग सामग्रियों का अध्ययन किया जाता है, एल्यूमीनियम मिश्र धातु सामग्री का चयन किया जाता है, और 3000 मीटर की डिजाइन दबाव प्रतिरोध गहराई के साथ एक सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन का उत्पादन किया जाता है। हाइड्रोफोन की दबाव-प्रतिरोधी संरचना को परिमित तत्व विधि द्वारा अनुकरण किया गया था, और इसकी संवेदनशीलता, प्रत्यक्षता और दबाव-प्रतिरोधी क्षमता का परीक्षण किया गया था। नतीजे बताते हैं कि वेक्टर हाइड्रोफोन में अच्छी कोसाइन डायरेक्टिविटी है, संवेदनशीलता -188 dB@500 Hz है, और यह 37.5MPa बाहरी दबाव का सामना कर सकता है। यह इस पेपर में दिए गए न्यूनतम औसत घनत्व पतली दीवार वाले दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल की डिजाइन विधि और इंजीनियरिंग की पुष्टि करता है। प्रोटोटाइप डिज़ाइन की तर्कसंगतता और व्यवहार्यता

 

परिचय

 

सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन ध्वनि क्षेत्र माध्यम में कंपन वेग वेक्टर जानकारी को माप सकता है, और एक एकल वेक्टर हाइड्रोफोन ध्वनिक लक्ष्य की दिशा खोजने को पूरा कर सकता है। इसमें छोटे आकार, कम बिजली की खपत, उच्च संवेदनशीलता, मध्यम आवृत्ति बैंड के फायदे भी हैं, और लक्ष्य का पता लगाने और समुद्री पर्यावरणीय शोर निगरानी जैसे कार्यों को करने के लिए पानी के नीचे ग्लाइडर और प्रोफाइल बॉय जैसे पानी के नीचे मानव रहित प्लेटफार्मों पर स्थापना के लिए बहुत उपयुक्त है। वर्तमान में, दबाव-प्रतिरोधी प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, विभिन्न पानी के नीचे मानवरहित प्लेटफार्मों की कार्य गहराई बढ़ रही है, जो वेक्टर हाइड्रोफोन की दबाव-प्रतिरोधी क्षमता के लिए उच्च आवश्यकताओं को सामने रखती है। संयुक्त राज्य अमेरिका, रूस और अन्य देशों ने 5000 ~ 6000 मीटर की कार्य गहराई के साथ वेक्टर हाइड्रोफोन विकसित किए हैं। घरेलू स्तर पर यह अभी शोध के प्रारंभिक चरण में है। 1000 मीटर की दबाव प्रतिरोध गहराई वाला वेक्टर हाइड्रोफोन एपॉक्सी राल और ग्लास माइक्रोबीड मिश्रित सामग्री पॉटिंग और धातु शैल तेल भरने का उपयोग करके बनाया गया था। हाइड्रोफ़ोन की संवेदनशीलता और प्रत्यक्षता असंतोषजनक है; बाहरी समग्र शेल और आंतरिक एल्यूमीनियम मिश्र धातु शेल की डबल-लेयर शेल योजना का उपयोग 2000 मीटर की दबाव प्रतिरोध गहराई के साथ एक वेक्टर हाइड्रोफोन को डिजाइन करने के लिए किया जाता है। इसके बड़े आकार के कारण, इसकी उच्च ऊपरी आवृत्ति सीमा केवल 1000 हर्ट्ज है; दबाव-प्रतिरोधी मिश्रित सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन को पॉलीयुरेथेन शेल से ढके धातु के खोल के साथ डिजाइन और निर्मित किया गया था। गोताखोरी परीक्षण, अधिकतम गोताखोरी गहराई 1200 मीटर है। कैप्सूल के आकार का एल्यूमीनियम मिश्र धातु पतला खोल डिजाइन 20 एमपीए के दबाव प्रतिरोध के साथ एक सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन का एहसास करता है। इस पेपर में, दबाव पोत डिजाइन के प्रासंगिक सिद्धांत को एक बड़ी गहराई वाले वेक्टर हाइड्रोफोन के डिजाइन पर लागू किया जाता है, और उच्च शक्ति वाली धातु सामग्री से बने एकल-परत पतली दीवार वाले गोलाकार खोल को सीधे वेक्टर हाइड्रोफोन के प्रतिरोधी खोल के रूप में उपयोग किया जाता है। इस योजना की प्रक्रिया अपेक्षाकृत सरल है, और बड़ी वोल्टेज गहराई तक पहुंच सकती है। इस योजना में, गोलाकार शेल सामग्री का चयन कैसे करें और गोलाकार शेल आकार को कैसे डिजाइन करें ताकि वेक्टर हाइड्रोफोन के ध्वनिक प्रदर्शन को इस आधार पर जितना संभव हो सके सुधार किया जा सके कि दबाव प्रतिरोध प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करता है, वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव गोलाकार शेल के डिजाइन की कुंजी है।

 

1 सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन के ध्वनिक प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले कारक

 

जब सह-कंपन कम आवृत्ति वाला वेक्टर हाइड्रोफोन पानी के नीचे ध्वनि क्षेत्र में काम करता है, यह ध्वनि क्षेत्र की कार्रवाई के तहत कंपन करेगा। इसके कंपन वेग को v पर सेट करें। इसके अलावा, जब हाइड्रोफोन को ध्वनि क्षेत्र में नहीं रखा जाता है तो मूल हाइड्रोफोन ज्यामितीय केंद्र की स्थिति निर्धारित करें। यदि माध्यम कण का कंपन वेग v0 है, तो निम्नलिखित संबंध (3) की पूर्व शर्त को ध्वनि तरंग fc 2 π R की आवृत्ति के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। समीकरण (3) से देखा जा सकता है कि जब सह-दोलन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन की कार्य आवृत्ति की ऊपरी सीमा oc 2 π R से बहुत छोटी होती है, तो हाइड्रोफोन का औसत घनत्व जितना छोटा होगा, कंपन वेग आयाम v और ध्वनि में जल गुणवत्ता बिंदु का कंपन उतना ही छोटा होगा फ़ील्ड. वेग आयाम के अनुपात का निरपेक्ष मान जितना अधिक होगा, हाइड्रोफोन कंपन वेग की संवेदनशीलता उतनी ही अधिक होगी, और हाइड्रोफोन कंपन वेग और जल गुणवत्ता बिंदु के कंपन वेग के बीच चरण अंतर शून्य तक पहुंच जाएगा। चूंकि सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन कंपन पिकअप सेंसर, सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट और अन्य अतिरिक्त संरचनाओं से भी सुसज्जित है, इसलिए यह महसूस करना मुश्किल है कि वेक्टर हाइड्रोफोन का औसत घनत्व वीआर ρ 0 से कम है। पानी के घनत्व इंजीनियरिंग आमतौर पर यह मानती है कि हाइड्रोफोन का औसत घनत्व जल माध्यम के घनत्व के करीब है। इस समय, हाइड्रोफोन ध्वनि क्षेत्र में पानी की गुणवत्ता बिंदु के कंपन वेग को लगभग 1:1 तक उठा सकता है, और हाइड्रोफोन की कार्यशील आवृत्ति की ऊपरी सीमा समान-कंपन वेक्टर पानी हो सकती है। श्रोता के ध्वनिक प्रदर्शन में मुख्य रूप से संवेदनशीलता, प्रत्यक्षता और कार्यशील आवृत्ति बैंड शामिल हैं। जब आंतरिक कंपन पिकअप सेंसर की संवेदनशीलता स्थिर होती है, तो हाइड्रोफोन की संवेदनशीलता उसके औसत घनत्व से निर्धारित होती है। औसत घनत्व जितना छोटा होगा, हाइड्रोफोन की संवेदनशीलता उतनी ही अधिक होगी। हाइड्रोफोन की दिशा मुख्य रूप से आंतरिक कंपन पिकअप सेंसर की पार्श्व संवेदनशीलता से निर्धारित होती है। हाइड्रोफोन का आकार भी दिशा को प्रभावित करेगा। हाइड्रोफ़ोन एक मानक गोलाकार आकार के जितना करीब होगा, दिशात्मकता पर उसका हस्तक्षेप उतना ही कम होगा। चूंकि आंतरिक कंपन पिकअप सेंसर की ऊपरी आवृत्ति सीमा आम तौर पर अधिक होती है, हाइड्रोफोन के कार्यशील आवृत्ति बैंड की ऊपरी सीमा आमतौर पर हाइड्रोफोन के बाहरी त्रिज्या आरओ द्वारा निर्धारित की जाती है। बाहरी त्रिज्या जितनी छोटी होगी, हाइड्रोफ़ोन की कार्यशील आवृत्ति की ऊपरी सीमा उतनी ही अधिक होगी। इसलिए, सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल को डिजाइन करते समय, हाइड्रोफोन के ध्वनिक प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए, दबाव प्रतिरोधी प्रदर्शन को संतुष्ट करने के आधार पर गोलाकार खोल के औसत घनत्व आर को जितना संभव हो उतना छोटा बनाना आवश्यक है। साथ ही, बाहरी त्रिज्या Ro को यथासंभव छोटा करें। सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन की ऊपरी आवृत्ति सीमा के लिए बाहरी त्रिज्या जितनी छोटी होगी, उतना बेहतर होगा; सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन की संवेदनशीलता के लिए औसत घनत्व जितना छोटा होगा, उतना बेहतर होगा; जब सामग्री और मोटाई अपरिवर्तित रहती है तो बाहरी त्रिज्या जितनी छोटी होती है, इसके बजाय औसत घनत्व बढ़ता है, जो एक विरोधाभास है। सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव प्रदर्शन के लिए बाहरी त्रिज्या जितनी छोटी, मोटाई जितनी बड़ी और सामग्री की ताकत जितनी अधिक होगी, उतना बेहतर होगा। बाहरी त्रिज्या जितनी छोटी और मोटाई जितनी अधिक होगी, औसत घनत्व उतना ही अधिक होगा, जो एक विरोधाभास भी है। सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव प्रतिरोध और ध्वनिक प्रदर्शन के लिए दबाव प्रतिरोध आवश्यकताओं तक पहुंचने के आधार पर इसके गोलाकार खोल के डिजाइन को जितना संभव हो उतना छोटा (उच्च संवेदनशीलता) और बाहरी त्रिज्या जितना संभव हो उतना छोटा (उच्च आवृत्ति ऊपरी सीमा) की आवश्यकता होती है), ये प्रतिबंध एक दूसरे को प्रतिबंधित करते हैं। दबाव प्रदर्शन को संतुष्ट करने के आधार पर सर्वोत्तम ध्वनिक प्रदर्शन वाले वेक्टर को खोजने के लिए, निम्नलिखित सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन की सामग्री, बाहरी त्रिज्या और गोलाकार खोल की मोटाई और इसके दबाव प्रतिरोध, संवेदनशीलता और उच्च आवृत्ति ऊपरी सीमा के बीच संबंधों का अध्ययन करेगा। हाइड्रोफ़ोन के दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल की डिज़ाइन योजना।

 

2 बाहरी दबाव के तहत पतली दीवार वाले गोलाकार खोल का विफलता विश्लेषण

 

जब सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन सामान्य रूप से पानी के नीचे काम करता है, तो इसका दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल बाहरी हाइड्रोस्टैटिक दबाव के अधीन होता है। यह एक बाहरी दबाव पोत है. संक्षारण विफलता पर विचार किए बिना, दो मुख्य विफलता मोड हैं: शक्ति विफलता और स्थिरता विफलता।

 

2.1 शक्ति विफलता

शक्ति विफलता का मतलब है कि जब दबाव पोत में किसी सामग्री का अधिकतम तनाव उसके उपज बिंदु से अधिक हो जाता है, तो सामग्री लोचदार विरूपण से प्लास्टिक विरूपण में बदल जाती है, जिसके परिणामस्वरूप अपरिवर्तनीय विरूपण या फ्रैक्चर होता है। अधिकतम प्रमुख तनाव सिद्धांत और लोचदार विफलता मानदंड के अनुसार, यदि बाहरी दबाव गोलाकार खोल में ताकत विफलता नहीं है, तो अधिकतम तनाव टी गोलाकार खोल में प्रयुक्त सामग्री की ताकत विफलता स्वीकार्य तनाव से कम या उसके बराबर होना चाहिए। दबाव पोत डिजाइन के क्षेत्र में, बाहरी दबाव गोलाकार गोले डिजाइन करते समय लोग अधिकतम तनाव सूत्र का उपयोग करते हैं। यह सूत्र इंजीनियरिंग अनुभव का सारांश सूत्र है। गणना सरल है, लेकिन इसकी स्थापना के लिए शर्त यह है कि गोलाकार खोल एक पतली दीवार वाला खोल है, यानी रो/री की आवश्यकता है। ≤ 1.35, जहां Ro गोलाकार कोश की बाहरी त्रिज्या है और Ri आंतरिक त्रिज्या है। इस सूत्र का उपयोग करके प्राप्त समाधान स्थानीय इष्टतम समाधान से संबंधित है। इसलिए, बाहरी दबाव गोलाकार खोल का अधिकतम तनाव फिर से प्राप्त होता है। माना p गोलाकार खोल पर बाहरी दबाव है और δ गोलाकार खोल की मोटाई है। घूर्णन शेल के क्षण-मुक्त सिद्धांत के अनुसार, बाहरी दबाव के तहत पतली दीवार वाले गोलाकार शेल के अंदर रेडियल तनाव बहुत छोटा है, और केवल अक्षीय संपीड़न तनाव Tzz और परिधीय संपीड़न तनाव T θθ पर विचार किया जाता है। चूँकि गोलाकार खोल का ज्यामितीय आकार गोले के केंद्र के संबंध में सममित है, अक्षीय संपीड़न तनाव और परिधीय संपीड़न तनाव मूल्य में बराबर हैं। गोले के केंद्र से गुजरने वाले खंड पर, गोलाकार खोल के खंड पर बाहरी दबाव p का परिणामी बल Fs=p π Ro2 है, और का क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र Ss = खोल सामग्री π (Ro2-Ri2) है, इसलिए बाहरी दबाव गोलाकार खोल के Tzz और T θθ गोलाकार खोल हैं शक्ति विफलता अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव pi को पूरा करना होगा

 

2.2 स्थिरता विफलता

स्थिरता विफलता बाहरी भार की कार्रवाई के तहत दबाव पोत की स्थिर संतुलन स्थिति से अस्थिर स्थिति में विफलता को संदर्भित करती है, और अचानक अपना मूल ज्यामितीय आकार खो देती है। जब गोलाकार खोल की मोटाई बहुत पतली होती है, तो ताकत विफलता से पहले अस्थिरता विफलता अक्सर होती है। बाहरी दबाव के तहत एक पतली दीवार वाले गोलाकार खोल के लिए, महत्वपूर्ण बकलिंग दबाव पीसीआर की गणना सूत्र छोटे विरूपण के सिद्धांत से लिया गया है, जहां ई गोलाकार खोल सामग्री का यंग मापांक है और सामग्री का पॉइसन अनुपात है। छोटे विरूपण सैद्धांतिक महत्वपूर्ण दबाव सूत्र की गणना अपेक्षाकृत सरल है, लेकिन त्रुटि अपेक्षाकृत बड़ी है, जिसे बड़े सुरक्षा कारक एम द्वारा मुआवजा दिया जा सकता है। जीबी 150.3 एम=14.52 निर्धारित करता है। फिर पतली दीवार वाले गोलाकार खोल की स्थिरता विफलता के लिए अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव पीएस को संतुष्ट किया जाना चाहिए।

 

3 वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल का अनुकूलन डिजाइन

 

का दबाव-प्रतिरोधी गोलाकार खोल वेक्टर हाइड्रोफोन ट्रांसड्यूसर विफल नहीं होता है और उसे अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव p=min(pi, ps) को पूरा करने की आवश्यकता होती है। सामग्री के मापदंडों के अलावा, गोलाकार खोल का अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव p केवल Ri/Ro से संबंधित है। एक वेरिएबल X=Ri/Ro को परिभाषित करें। यह जानना आसान है कि X गोलाकार कोश की आंतरिक और बाहरी त्रिज्या का अनुपात है, X∈(0,1), यह चर आयामहीन है, X जितना बड़ा होगा, गोलाकार कोश उतना ही पतला होगा। किसी दिए गए पदार्थ के स्वीकार्य तनाव टी और गोलाकार खोल के अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव पी के बाद, एक्स का अधिकतम मूल्य जो गोलाकार खोल ताकत आवश्यकताओं को पूरा करता है, प्राप्त होता है, जिसे Xi के रूप में दर्ज किया जाता है। इसी तरह, यंग के मापांक ई, पॉइसन के अनुपात μ और गोलाकार खोल के अधिकतम स्वीकार्य बाहरी दबाव पी के बाद, एक्स का अधिकतम मूल्य जो गोलाकार खोल स्थिरता आवश्यकताओं को पूरा करता है, सूत्र के अनुसार प्राप्त किया जा सकता है, जिसे एक्स के रूप में दर्ज किया गया है। सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन बाहरी स्थैतिक पानी का सामना कर सकता है, दबाव पी का कार्य विफलता के बिना, और दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल को एक ही समय में बिना ताकत की विफलता और स्थिरता विफलता की स्थितियों को पूरा करने की आवश्यकता होती है, और एक्स का अधिकतम मूल्य जो एक ही समय में आवश्यकताओं को पूरा करता है वह एक्स = न्यूनतम एक्स, एक्स (12) एक्समैक्स निर्धारित किया जाता है बाद में, गोलाकार खोल का न्यूनतम औसत घनत्व आगे प्राप्त किया जा सकता है। यह जानना आसान है कि गोलाकार खोल सामग्री का आयतन Vc=4π(Ro3-Ri3)/3 है। गोलाकार खोल का द्रव्यमान mc=ρVc, जहां ρ गोलाकार खोल सामग्री का घनत्व है। गोलाकार खोल द्वारा छोड़े गए पानी की मात्रा Vs=4πRo3/3 है। फिर गोलाकार खोल r का औसत घनत्व ρ है जो सामग्री का घनत्व है, जो एक सकारात्मक स्थिरांक है; (1-X3) पद X∈(0,1) हमेशा एक सकारात्मक मान होता है और नीरस रूप से घटता है। गोलाकार खोल का न्यूनतम औसत घनत्व जो दबाव आवश्यकताओं को पूरा करता है। इसलिए, सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव-प्रतिरोधी गोलाकार खोल का इष्टतम डिजाइन प्राप्त करने के लिए, सबसे पहले, दबाव आवश्यकताओं पी और सामग्री के गुणों को एक्समैक्स की गणना करने के लिए सूत्र में प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए; एक्समैक्स को सूत्र में प्रतिस्थापित करने से गोलाकार खोल का न्यूनतम औसत घनत्व प्राप्त हो सकता है जो दबाव आवश्यकताओं को पूरा करता है। सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के अंदर कंपन पिकअप सेंसर, सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट और अन्य अतिरिक्त संरचनाओं के कुल द्रव्यमान को मानते हुए, हाइड्रोफोन के औसत घनत्व का न्यूनतम मूल्य एक निश्चित मूल्य है; ऐसे मामले में जहां गोलाकार खोल सामग्री और दबाव प्रतिरोध आवश्यकता पी नीचे निर्धारित की जाती है, यह भी एक निश्चित मूल्य है। वेक्टर हाइड्रोफोन के लिए, Ro वेक्टर हाइड्रोफोन की कार्यशील आवृत्ति की ऊपरी सीमा fmax निर्धारित करता है। वेक्टर हाइड्रोफोन की कार्यशील आवृत्ति की ऊपरी सीमा का चयन किया जाता है और वेक्टर हाइड्रोफोन के गोलाकार खोल की बाहरी त्रिज्या Ro निर्धारित की जाती है। फिर हाइड्रोफोन का न्यूनतम औसत घनत्व प्राप्त किया जा सकता है, और वेक्टर हाइड्रोफोन की कंपन वेग संवेदनशीलता प्राप्त की जा सकती है। इसी प्रकार, यदि वेक्टर हाइड्रोफोन की कंपन वेग संवेदनशीलता का चयन किया जाता है, तो हाइड्रोफोन का औसत घनत्व समीकरण (3) के अनुसार प्राप्त किया जा सकता है, और इस समय हाइड्रोफोन के गोलाकार खोल की बाहरी त्रिज्या प्राप्त की जा सकती है, और वेक्टर प्राप्त किया जा सकता है। हाइड्रोफोन की कार्यशील आवृत्ति की ऊपरी सीमा। उपरोक्त चरणों के माध्यम से, हम सबसे उपयुक्त सामग्री और बाहरी त्रिज्या और दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल की मोटाई जैसे आकार मापदंडों का सैद्धांतिक इष्टतम समाधान पा सकते हैं। और दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल के मूल आकार डेटा के आधार पर, अगला विस्तृत डिज़ाइन तैयार किया जाता है। डिज़ाइन पूरा होने के बाद, डिज़ाइन किए गए दबाव-प्रतिरोधी शेल के तनाव वितरण विश्लेषण और बकलिंग विश्लेषण का संचालन करने के लिए परिमित तत्व सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर का उपयोग किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि डिज़ाइन दबाव के तहत शेल में ताकत विफलता और स्थिरता विफलता नहीं है।

 

4 वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव-प्रतिरोधी गोलाकार खोल का डिज़ाइन उदाहरण

वर्तमान में, घरेलू मुख्यधारा के अंडरवाटर ग्लाइडर, प्रोफाइल बॉय और अन्य अंडरवाटर मानवरहित प्लेटफार्मों की कार्य गहराई 2000 मीटर के स्तर तक पहुंच गई है। एक निश्चित सुरक्षा मार्जिन प्रदान करने के लिए, हाइड्रोफोन की डिज़ाइन दबाव प्रतिरोध गहराई 3000 मीटर, यानी पी = 30 एमपीए पर सेट की गई है।

 

4.1 शैल सामग्री अनुकूलन

सबसे पहले, हमें सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव-प्रतिरोधी गोलाकार खोल के लिए सर्वोत्तम धातु सामग्री का चयन करना होगा। तालिका 1 में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली कई गहरे समुद्र इंजीनियरिंग सामग्रियों जैसे 304, 316L स्टेनलेस स्टील, 6061T6, 7075T6 एल्यूमीनियम मिश्र धातु, TC4 टाइटेनियम मिश्र धातु और H90 पीतल के यांत्रिक गुणों को सूचीबद्ध किया गया है। सामग्रियों के प्रासंगिक मूल्यों में थोड़ा अंतर हो सकता है)। तालिका 1 में दबाव आवश्यकताओं पी और विभिन्न सामग्रियों के गुणों को सूत्र में प्रतिस्थापित करके इन इंजीनियरिंग सामग्रियों को प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जा सकता है जो शी की ताकत आवश्यकताओं, एक्स की स्थिरता आवश्यकताओं और दोनों एक्समैक्स को पूरा करते हैं; प्राप्त एक्समैक्स को सूत्र में प्रतिस्थापित करें, न्यूनतम औसत घनत्व जो दबाव आवश्यकताओं को पूरा करने वाली प्रत्येक सामग्री से बने गोलाकार खोल द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। यदि एक निश्चित सामग्री ताकत की आवश्यकताओं को पूरा करती है Xi स्थिरता आवश्यकताओं Xs से कम है, तो सामग्री को एक गेंद में बनाया जाता है जो ताकत की आवश्यकताओं को पूरा करती है शेल के मामले में, इसकी स्थिरता अधिशेष है; इसी तरह, यदि किसी निश्चित सामग्री का Xi, Xs से अधिक है, जब सामग्री को एक गोलाकार खोल में बनाया जाता है जो स्थिरता आवश्यकताओं को पूरा करता है, तो इसकी ताकत अधिशेष होती है। Xi और Xs का मान जितना करीब होगा, इस सामग्री से बने गोलाकार खोल की ताकत और स्थिरता उतनी ही संतुलित होगी। तालिका 2 में दर्शाई गई कई सामग्रियों में से, TC4 टाइटेनियम मिश्र धातु का Xi, Xs से अधिक है, जो दर्शाता है कि स्थिरता आवश्यकताओं को पूरा करने पर इस सामग्री से बने गोलाकार खोल की ताकत अधिशेष है। TC4 को छोड़कर, शेष सभी सामग्रियों का Xi Xs से छोटा है, जो दर्शाता है कि ताकत की आवश्यकताओं को पूरा करते समय इन सामग्रियों से बने गोलाकार खोल की स्थिरता अधिशेष है। तालिका 2 की सामग्रियों में, 7075T6 एल्यूमीनियम मिश्र धातु और TC4 टाइटेनियम मिश्र धातु के Xi और Xs अपेक्षाकृत करीब हैं, जो दर्शाता है कि इन दोनों सामग्रियों से बने गोलाकार खोल की ताकत और स्थिरता अपेक्षाकृत संतुलित है। तालिका 2 से देखा जा सकता है कि तालिका में सूचीबद्ध कई सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली इंजीनियरिंग सामग्रियों में से 30 एमपीए के दबाव प्रतिरोध को पूरा करने के आधार पर, एल्यूमीनियम मिश्र धातु और टीसी4 टाइटेनियम मिश्र धातु से बने गोलाकार खोल का औसत घनत्व पानी के करीब या उससे कम घनत्व प्राप्त कर सकता है, जो सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन की डिजाइन आवश्यकताओं के अनुरूप है। उनमें से, टीसी4 टाइटेनियम मिश्र धातु सामग्री में सबसे बड़ा एक्समैक्स है, यानी इस सामग्री से बना सबसे पतला दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल है। 7075T6 सामग्री से बना दबाव-प्रतिरोधी गोलाकार खोल अन्य आंतरिक संरचनाओं के लिए सबसे बड़ा द्रव्यमान मार्जिन छोड़कर, सबसे छोटा औसत घनत्व प्राप्त कर सकता है। इसके अलावा, सामग्री लागत और प्रसंस्करण लागत के मामले में एल्यूमीनियम मिश्र धातु में टीसी 4 टाइटेनियम मिश्र धातु की तुलना में अधिक फायदे हैं। इसलिए, वेक्टर हाइड्रोफोन दबाव प्रतिरोधी गोलाकार गोले बनाने के लिए एल्यूमीनियम मिश्र धातु सबसे अच्छी सामग्री है।

 

4.2 दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल का आकार डिजाइन

30 एमपीए के दबाव प्रतिरोध के साथ एक हाइड्रोफोन गोलाकार खोल बनाने के लिए एल्यूमीनियम मिश्र धातु सामग्री का चयन किया जाता है, और दबाव आवश्यकताओं को पूरा करने वाले गोलाकार खोल का न्यूनतम औसत घनत्व 0.64×103 किग्रा/एम3 और इस समय एक्स=0.9177 है। यदि वेक्टर हाइड्रोफोन की कंपन वेग संवेदनशीलता |v/v0| 0.8 की अनुमति है, आंतरिक घटकों की स्थापना की सुविधा के लिए हाइड्रोफोन गोलाकार खोल का वास्तविक डिज़ाइन दो हिस्सों में डिज़ाइन किया जाना चाहिए। यह माना जाता है कि हाइड्रोफोन के दो अर्धगोलाकार गोले इकट्ठे होते हैं। मापा हाइड्रोफोन का अतिरिक्त द्रव्यमान, एक्सेलेरोमीटर, माउंटिंग ब्रैकेट, सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट, और वास्तविक हाइड्रोफोन में उपयोग किए जाने वाले वॉटरटाइट मर्मज्ञ कक्ष का द्रव्यमान योग 99.5 ग्राम है, इसलिए अतिरिक्त द्रव्यमान मी का योग = 149.5 ग्राम। हाइड्रोफोन के गोलाकार खोल की बाहरी त्रिज्या Ro=36.48 मिमी प्राप्त होती है। X=Ri/Ro=0.9177, गोलाकार खोल Ri की आंतरिक त्रिज्या = 33.48 मिमी, गोलाकार खोल की मोटाई = 3.00 मिमी, गणना, ड्राइंग और प्रसंस्करण की सुविधा के लिए, गोलाकार खोल Ri की आंतरिक त्रिज्या को 33 मिमी तक गोल किया गया है, बाहरी त्रिज्या Ro 36 मिमी है।

 

4.3 वोल्टेज झेलने के प्रदर्शन की जाँच करें

दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल के आकार डेटा प्राप्त करने के बाद, यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह दबाव प्रतिरोधी आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है, दबाव प्रतिरोधी प्रदर्शन की जांच की जाती है, और ताकत विफलता और स्थिरता विफलता के दो मामलों पर मुख्य रूप से विचार किया जाता है।

 

4.3.1 शक्ति विफलता

तालिका 1 से देखा जा सकता है कि गोलाकार खोल के लिए उपयोग किए जाने वाले एल्यूमीनियम मिश्र धातु का स्वीकार्य तनाव 190 एमपीए है, जिसे गोलाकार खोल के आकार मापदंडों के साथ जोड़कर ताकत विफलता प्राप्त की जाती है, गोलाकार खोल का स्वीकार्य दबाव 30.4 एमपीए है, जो 30 एमपीए से अधिक है, जो दबाव आवश्यकताओं को पूरा करता है।

 

4.3.2 स्थिरता विफलता

एल्यूमीनियम मिश्र धातु का पॉइसन अनुपात μ=0.33, यंग मापांक E=7.2×1010 Pa, और स्थिरता प्रणाली m=14.52। भौतिक डेटा और गोलाकार खोल आकार को समीकरण (8) और (9) में प्रतिस्थापित करते हुए, महत्वपूर्ण परिधीय अस्थिरता दबाव पीसीआर = 611.6 एमपीए की गणना की जाती है, और स्वीकार्य परिधीय अस्थिरता दबाव 42.1 एमपीए है, जो 30 एमपीए से अधिक है, जो दबाव आवश्यकताओं को पूरा करता है। यह देखा जा सकता है कि वेक्टर हाइड्रोफोन का दबाव प्रतिरोधी गोलाकार खोल 30 एमपीए के बाहरी हाइड्रोस्टेटिक दबाव का सामना कर सकता है। और परिधीय अस्थिरता के लिए स्वीकार्य दबाव ताकत विफलता के लिए स्वीकार्य दबाव से अधिक है। यदि गोलाकार आवरण के बाहर दबाव बढ़ता रहेगा, तो शक्ति प्रभाव सबसे पहले होगा।

 

4.4 वेक्टर हाइड्रोफोन प्रेशर शेल का इंजीनियरिंग डिजाइन

वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव प्रतिरोधी गोलाकार शेल की सामग्री, बाहरी त्रिज्या और मोटाई जैसे बुनियादी डेटा का निर्धारण करने के बाद, वेक्टर हाइड्रोफोन शेल का विस्तृत डिजाइन तैयार किया जा सकता है। यह पेपर बड़ी गहराई वाले गोलाकार सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के सहायक डिजाइन को पूरा करने के लिए 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करता है। वेक्टर हाइड्रोफोन संरचना का क्रॉस-सेक्शनल दृश्य चित्र 1 में दिखाया गया है।