सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के गोलाकार खोल का इष्टतम डिजाइन(2)

हाइड्रोफ़ोन का आकार एक मानक है गोलाकार आकार ध्वनिक ट्रांसड्यूसर । हाइड्रोफ़ोन का गोलाकार आवरण ऊपरी और निचले गोलार्धों से बना होता है। दोनों गोलार्धों की बाहरी त्रिज्या 36 मिमी, निचले गोलार्ध की दीवार की मोटाई 3 मिमी और ऊपरी गोलार्ध की दीवार की मोटाई 4 मिमी है। मध्य में अक्षीय सीलिंग के लिए एक रबर ओ-रिंग का उपयोग किया जाता है। शेल के गैर-दबाव-असर वाले हिस्से की गुणवत्ता को कम करने के लिए, ओ-रिंग इंस्टॉलेशन ग्रूव की चौड़ाई को कम करने के लिए एक अमेरिकी मानक ओ-रिंग का चयन किया जाता है जो राष्ट्रीय मानक से पतला होता है। ऊपरी और निचले गोलार्धों को गोलाकार खोल पर धागों द्वारा बांधा जाता है, ताकि बन्धन बोल्ट की स्थापना स्थिति को बढ़ाने की कोई आवश्यकता न हो, और यह शेल के गैर-दबाव-असर वाले हिस्से को जितना संभव हो उतना छोटा बनाना है। चूँकि ऊपरी और निचले गोलार्ध धागों से बंधे होते हैं, कसने पर दोनों गोलार्धों की संरेखण स्थिति यादृच्छिक होती है। इसलिए, 4 स्प्रिंग सस्पेंशन छेद दो गोलार्ध गोले पर सममित रूप से वितरित होने के बजाय गोलाकार खोल की बाहरी सतह के केंद्र में समान रूप से वितरित होते हैं। लूप स्प्रिंग सस्पेंशन होल. निचले गोलार्ध को थोड़ा बड़ा और ऊपरी गोलार्ध को थोड़ा छोटा बनाएं, ताकि केंद्र में सभी स्प्रिंग सस्पेंशन छेद निचले गोलार्ध पर स्थित हों। कंपन पिकअप सेंसर तीन-अक्ष पीजोइलेक्ट्रिक एक्सेलेरोमीटर का उपयोग करता है। एक्सेलेरोमीटर को ब्रैकेट के माध्यम से गोलाकार खोल के केंद्र में स्थापित किया गया है, और सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट ब्रैकेट के दूसरी तरफ स्थापित किया गया है। ध्यान दें कि यह 'केंद्र' निचले गोलार्ध शेल में भी स्थित है, ताकि जब दोनों गोलार्धों को कड़ा किया जाए, तो ऊपरी और निचले गोलार्धों के बीच का कोण चाहे जो भी हो, यह निलंबन छेद की दिशा के साथ एक्सेलेरोमीटर के संरेखण को प्रभावित नहीं करेगा। असेंबली पूरी होने के बाद, पूरे वेक्टर हाइड्रोफोन का गुरुत्वाकर्षण केंद्र गोलाकार खोल के केंद्र के साथ मेल खाना चाहिए पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर । जितना संभव हो चित्र 1 में हाइड्रोफोन के गुरुत्वाकर्षण केंद्र की स्थिति की गणना 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर द्वारा स्वचालित रूप से की जाती है, और यह वेक्टर हाइड्रोफोन के ज्यामितीय केंद्र पर स्थित है। डिज़ाइन किए गए दबाव-प्रतिरोधी गोलाकार खोल का कमजोर क्षेत्र ओ-रिंग खांचे और गोलाकार खोल और भेदी भाग के उद्घाटन के बीच का संबंध है। ओ-रिंग ग्रूव और गोलाकार खोल के बीच कनेक्शन के लिए, तनाव एकाग्रता को कम करने के लिए संक्रमण को सुचारू बनाने के लिए एक बड़ी पट्टिका जोड़ें। छेदने वाले भाग को खोलने के लिए, एक ओर, छेद की दीवार की ताकत बढ़ाने के लिए छेद की दीवार की मोटाई बढ़ाएं, दूसरी ओर, छेद की दीवार और गोलाकार खोल की आंतरिक सतह के बीच संक्रमण पर बड़े गोल कोने जोड़ें, और छेद की दीवार और गोलाकार खोल की बाहरी सतह के बीच संक्रमण पर संक्रमण को सुचारू करने और तनाव एकाग्रता को कम करने के लिए सामग्री को बढ़ाएं। ऊपरी गोलार्ध खोल के खुलने के कारण होने वाली ताकत में कमी की समस्या की भरपाई के लिए, ऊपरी गोलार्ध खोल की मोटाई समग्र रूप से 1 मिमी बढ़ा दी गई थी। इसके अलावा, गोदाम के माध्यम से रूटिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले दबाव-प्रतिरोधी स्टील बोल्ट में ठोस बोल्ट के बराबर उच्च शक्ति होती है, और थ्रेडेड छेद का समर्थन करते हैं।

 

4.5 वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव-प्रतिरोधी शेल का प्रदर्शन सिमुलेशन

चित्र 1 से यह देखा जा सकता है कि वेक्टर हाइड्रोफोन का डिज़ाइन किया गया दबाव-प्रतिरोधी गोलाकार खोल अब एक आदर्श गोलाकार खोल नहीं है। दबाव-प्रतिरोधी प्रदर्शन पर सबसे बड़ा प्रभाव ऊपरी गोलार्ध में एक बड़े थ्रेडेड छेद का खुलना है। छेद के प्रभाव से ऊपरी गोलार्ध की मोटाई 1 मिमी बढ़ गई है। इन परिवर्तनों की सैद्धांतिक रूप से गणना नहीं की गई है। निम्नलिखित वेक्टर हाइड्रोफोन गोलाकार शेल के त्रि-आयामी मॉडल पर संरचनात्मक स्थैतिक सिमुलेशन और ईजेनवैल्यू बकलिंग सिमुलेशन करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण की विधि का उपयोग करता है ताकि यह सत्यापित किया जा सके कि डिज़ाइन किया गया वेक्टर हाइड्रोफोन 30 एमपीए के बाहरी दबाव का सामना कर सकता है या नहीं। प्रयुक्त परिमित तत्व सिमुलेशन सॉफ्टवेयर ANSYS वर्कबेंच है।

 

4.5.1 संरचनात्मक स्थैतिक अनुकरण

के त्रि-आयामी डिजिटल मॉडल को आयात करें परिमित तत्व सिमुलेशन सॉफ्टवेयर में वेक्टर हाइड्रोफोन गोलाकार शेल, शेल सामग्री को 7075T6 एल्यूमीनियम मिश्र धातु पर सेट करें, और ऊपरी शेल और प्लग के बीच और ऊपरी और निचले शेल के बीच संपर्क मोड को बाइंड मोड में सेट करें, हेक्साहेड्रोन विधि का उपयोग मॉडल को जाल करने के लिए किया जाता है, जाल का आकार एक झुकने वाले फ़ंक्शन पर सेट किया जाता है, और अधिकतम आकार 0.8 मिमी पर सेट किया जाता है। मॉडल के अनुवाद को बाधित करने के लिए प्लग की ऊपरी सतह पर x, y और z दिशाओं में विस्थापन को 0 पर सेट किया गया है; प्लग की बाहरी बेलनाकार सतह पर एक बेलनाकार सतह बाधा सेट की जाती है, और मॉडल के घूर्णन और घूर्णन को सीमित करने के लिए स्पर्शरेखा दिशा तय की जाती है। अक्षीय और रेडियल मुक्त; हाइड्रोफोन शेल की सभी बाहरी सतहों (ओ-रिंग ग्रूव की आंतरिक सतह सहित) पर 30 एमपीए का दबाव भार लागू करें, और उस पर संरचनात्मक स्थैतिक विश्लेषण करें। सिमुलेशन द्वारा प्राप्त हाइड्रोफोन शेल का तनाव तीव्रता वितरण चित्र 2 में दिखाया गया है। तनाव तीव्रता को विश्लेषण के लिए चुना गया है क्योंकि यह तीसरे तीव्रता सिद्धांत के आधार पर एक समतुल्य तनाव है, परिणाम सुरक्षित है, और यह दबाव पोत विश्लेषण के लिए उपयुक्त है।

हाइड्रोफ़ोन शेल के बीच में ओ-रिंग ग्रूव (जिसे कठोर रिब रिंग के रूप में माना जा सकता है) के कारण होने वाले कुंडलाकार उभार की तनाव तीव्रता छोटी है; हाइड्रोफोन शेल के ऊपरी और निचले गोलार्ध गोले के मध्य भाग का तनाव तीव्रता सिमुलेशन मूल्य सबसे छोटा है, इसका मूल्य 202.7 एमपीए से कम है, यहां असंतोष और तनाव एकाग्रता शामिल नहीं है, इसे प्राथमिक समग्र फिल्म तनाव तीव्रता के रूप में माना जा सकता है, सूत्र (6) के अनुसार, पतली दीवार वाले गोलाकार खोल के प्राथमिक समग्र फिल्म तनाव (यानी, अधिकतम प्रमुख तनाव) का सिद्धांत गणना मूल्य 187.8 एमपीए है, जो मूल रूप से सुसंगत है अनुकरण परिणामों के साथ. ऊपरी और निचले गोलाकार कोशों की आंतरिक सतह के अधिकांश क्षेत्रों में तनाव की तीव्रता अपेक्षाकृत बड़ी है, और इसका मान 243.2 एमपीए से कम है। इस बिंदु पर तनाव प्राथमिक झुकने वाले तनाव से संबंधित है और स्वीकार्य तनाव से 1.5 गुना से कम की सीमा को पूरा करता है। निचले गोलार्ध खोल और केंद्रीय कुंडलाकार फलाव के जंक्शन पर एक कुंडलाकार बड़ा तनाव क्षेत्र है, तनाव की तीव्रता लगभग 324.2 एमपीए है, यहां तनाव प्राथमिक तनाव और माध्यमिक तनाव है, और इसका मूल्य स्वीकार्य तनाव से 3 गुना कम है, जो डिजाइन आवश्यकताओं को पूरा करता है। उस स्थान पर स्थानीय तनाव सांद्रता होती है जहां ऊपरी गोलार्ध खोल का शीर्ष प्लग के संपर्क में होता है और ओ-रिंग ग्रूव में कुछ स्थानों पर होता है। अधिकतम तनाव 405.2 एमपीए है, जो प्राथमिक तनाव और द्वितीयक तनाव तथा चरम तनाव से संबंधित है। यह तनाव प्रभावित नहीं करेगा शक्ति विफलता का प्रभाव मुख्य रूप से दबाव शेल की थकान विफलता को प्रभावित करता है। इसलिए, वेक्टर हाइड्रोफोन का गोलाकार खोल बिना ताकत की कमी के 30 एमपीए के बाहरी दबाव का सामना कर सकता है।

 

4.5.2 आइजेनवैल्यू बकलिंग सिमुलेशन

इसके बाद, हाइड्रोफोन गोलाकार शेल मॉडल की बाहरी सतह पर दबाव भार को 1 एमपीए में बदल दिया जाता है, और संरचनात्मक स्थैतिक विश्लेषण परिणामों के आधार पर आइजेनवैल्यू बकलिंग विश्लेषण किया जाता है। हाइड्रोफ़ोन के गोलाकार खोल के प्रथम-क्रम बकलिंग मोड का कुल विरूपण चित्र 3 में दिखाया गया है।

चित्र 3 से देखा जा सकता है कि विरूपण मुख्य रूप से निचले गोलार्ध में होता है, क्योंकि गोलाकार खोल जितना पतला होगा, स्थिरता उतनी ही खराब होगी। प्रथम-क्रम बकलिंग लोड फैक्टर 680.35 है, इसलिए हाइड्रोफोन गोलाकार शेल के महत्वपूर्ण अस्थिरता दबाव का सिमुलेशन मूल्य 680.35 एमपीए है, जो 611.6 एमपीए के सूत्र द्वारा गणना की गई परिधीय अस्थिरता महत्वपूर्ण दबाव से थोड़ा अधिक है। इसलिए, वेक्टर हाइड्रोफोन का गोलाकार खोल स्थिरता विफलता के बिना 30 एमपीए के बाहरी दबाव का सामना कर सकता है।

 

4.6 वेक्टर हाइड्रोफोन उत्पादन

के ऊपरी और निचले गोलार्ध गोले वेक्टर हाइड्रोफोन सेंसर सीएनसी मशीन टूल्स द्वारा संसाधित होते हैं। सामग्री 7075-T6 एल्यूमीनियम मिश्र धातु है, और सतह की कठोरता में सुधार करने और समुद्री जल क्षरण को रोकने के लिए घने ऑक्साइड सुरक्षात्मक फिल्म बनाने के लिए सतह को एनोडाइज्ड किया जाता है। पूर्ण सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन चित्र 4 में दिखाया गया है। वास्तविक माप के बाद, इसका द्रव्यमान 274.7 ग्राम है, और इसका घनत्व 1.40 × 103 किग्रा/एम3 है। वेक्टर हाइड्रोफोन का बाहरी त्रिज्या Ro=36 मिमी है, और समीकरण (4) में प्रतिस्थापित करते हुए, इस हाइड्रोफोन का आकार इसकी कार्यशील आवृत्ति fmax=2653 हर्ट्ज की ऊपरी सीमा का समर्थन करता है। उपयोग में आसानी के लिए, इसकी कार्यशील आवृत्ति की ऊपरी सीमा को 3000 हर्ट्ज तक सीमित करें। इस समय, kRo=0.45239, घनत्व अनुपात 0r / r =1.40, समीकरण (1) और (2) को समीकरण (1) और (2) में प्रतिस्थापित करके v/v0=0.77 प्राप्त करें, अधिकतम चरण अंतर केवल 0.15 ° है , जो एप्लिकेशन आवश्यकताओं को पूरा करता है।

 

5 वेक्टर हाइड्रोफोन प्रदर्शन परीक्षण

यह जांचने के लिए कि डिज़ाइन और निर्मित सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन का ध्वनिक प्रदर्शन और दबाव प्रतिरोध आवश्यकताओं को पूरा करता है या नहीं, हाइड्रोफोन के नमूनों को संवेदनशीलता और प्रत्यक्षता परीक्षणों के लिए स्टैंडिंग वेव ट्यूब में रखा जाता है, और स्थैतिक दबाव परीक्षण आटोक्लेव में किया जाता है।

 

5.1 संवेदनशीलता परीक्षण

सह-कंपन में प्रयुक्त तीन-अक्ष पीजोइलेक्ट्रिक एक्सेलेरोमीटर की संवेदनशीलता इस लेख में अंडरवाटर वेक्टर हाइड्रोफोन Ma=2500 mV/g है। एक वेक्टर हाइड्रोफोन की कंपन वेग संवेदनशीलता आम तौर पर समतुल्य मुक्त-क्षेत्र ध्वनि दबाव संवेदनशीलता एमपी द्वारा व्यक्त की जाती है। Mp और Ma के बीच निम्नलिखित रूपांतरण संबंध है। हाइड्रोफ़ोन के औसत घनत्व के वास्तविक मापा मान को समीकरण (3) में प्रतिस्थापित करने पर | प्राप्त किया जा सकता है v/v0|=0.7895, इस मान को समीकरण (16) में प्रतिस्थापित करते हुए, वेक्टर हाइड्रोफोन की सैद्धांतिक समतुल्य ध्वनि दबाव संवेदनशीलता और ध्वनि तरंग आवृत्ति के बीच संबंध प्राप्त किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 5 में काली ठोस रेखा द्वारा दिखाया गया है। 500 हर्ट्ज पर, वेक्टर हाइड्रोफोन के वेक्टर चैनल की सैद्धांतिक संवेदनशीलता -187.4 डीबी (0 डीबी पुनः 1V/μPa, के प्रवर्धन कारक को छोड़कर) है हाइड्रोफोन का अंतर्निर्मित प्रीएम्प्लीफायर), जो संवेदनशीलता को 6 डीबी प्रति ऑक्टेव तक बढ़ाता है। वेक्टर हाइड्रोफोन की कंपन वेग संवेदनशीलता का परीक्षण तुलनात्मक विधि का उपयोग करके एक स्थायी तरंग ट्यूब में किया जाता है, और स्थायी तरंग ट्यूब का प्रभावी आवृत्ति बैंड 100 ~ 1000 हर्ट्ज है। सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन के प्रत्येक चैनल की संवेदनशीलता के मापे गए परिणाम चित्र 5 में लाल सितारा बिंदुओं के साथ दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि तीन वेक्टर चैनलों की संवेदनशीलता के मापा वक्र मूल रूप से सैद्धांतिक वक्रों के अनुरूप हैं। 500 हर्ट्ज पर एक्स, वाई और जेड चैनलों की संवेदनशीलता क्रमशः -188.9, -188.1 और -187.6 डीबी है। माप आवृत्ति बैंड में प्रत्येक वेक्टर चैनल की संवेदनशीलता स्थिरता त्रुटि 1.2 डीबी से अधिक नहीं है; तीन चैनलों के संवेदनशीलता वक्र द्वारा फिट किए गए ढलान को खोजने के लिए सबसे कम वर्ग विधि का उपयोग किया जाता है, और तीन चैनलों के संवेदनशीलता डेटा और संबंधित ढलान के बीच अधिकतम अंतर 0.8 डीबी से कम है, अर्थात, हाइड्रोफोन की संवेदनशीलता स्तर अस्थिरता 0.8 डीबी से कम है; संवेदनशीलता 6 डीबी प्रति सप्तक बढ़ जाती है, जो सैद्धांतिक प्रवृत्ति के अनुरूप है।

 

5.2 दिशात्मकता परीक्षण

 

सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन के तीन वेक्टर चैनलों में सैद्धांतिक रूप से आवृत्ति से स्वतंत्र कोसाइन प्रत्यक्षता होनी चाहिए। रोटेशन विधि का उपयोग स्टैंडिंग वेव ट्यूब में सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन की दिशा को मापने के लिए किया जाता है, और रोटेशन परीक्षण का कोणीय अंतराल 0.4° है। क्रमशः 100, 500 और 1000 हर्ट्ज पर एक्स, वाई और जेड चैनलों की प्रत्यक्षता का परीक्षण किया गया। नतीजे बताते हैं कि एक्स, वाई और जेड चैनलों में तीन आवृत्ति बिंदुओं पर अच्छी कोसाइन दिशा है। 500 हर्ट्ज पर एक्स, वाई और जेड चैनलों की दिशात्मकता वक्र चित्र 6 में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि एक्स-चैनल दिशात्मकता वक्र की न्यूनतम गड्ढे की गहराई 34.1 डीबी है, और वाई-चैनल दिशात्मकता वक्र की न्यूनतम गड्ढे की गहराई 29.8 डीबी है। चैनल दिशा वक्र की न्यूनतम गड्ढे की गहराई 38.9 डीबी है। चूंकि वेक्टर हाइड्रोफोन अवतल बिंदु पर होने पर मापा जाने वाला चैनल पर ध्वनि तरंग द्वारा उत्पन्न संकेत बेहद छोटा होता है, जब परीक्षण प्रणाली काम कर रही होती है तो घूर्णन प्रणाली बंद नहीं होती है, और घूर्णन प्रणाली के यांत्रिक कंपन और शोर सीधे निलंबन स्प्रिंग के माध्यम से वेक्टर तक प्रेषित होते हैं। हाइड्रोफ़ोन पर, मापे जाने वाले चैनल पर उत्पन्न सिग्नल अक्सर ध्वनिक सिग्नल से बहुत बड़ा होता है, इसलिए माप द्वारा प्राप्त गड्ढे की गहराई वास्तविक मूल्य से बहुत कम होती है। फिर भी, तीन वेक्टर चैनलों में सबसे छोटी गड्ढे की गहराई 29.8 डीबी तक पहुंचती है, जो एप्लिकेशन आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है।

 

5.3 वोल्टेज परीक्षण का सामना करें

सह-कंपन गोलाकार हाइड्रोफोन का स्थैतिक दबाव परीक्षण आटोक्लेव में किया गया था। जीबी 150.1 के अनुसार, बाहरी दबाव पोत के हाइड्रोलिक परीक्षण के लिए, डिज़ाइन दबाव का 1.25 गुना परीक्षण दबाव के रूप में लिया जाना चाहिए। वेक्टर हाइड्रोफोन का डिज़ाइन दबाव 30 एमपीए है, इसलिए दबाव परीक्षण का अधिकतम दबाव 37.5 एमपीए पर सेट है। परीक्षण के दौरान, पानी के नीचे ग्लाइडर की प्रोफ़ाइल के साथ हाइड्रोफोन ग्लाइड के दबाव मोड का अनुकरण किया गया था। सबसे पहले, दबाव को स्थिर गति से 37.5 एमपीए तक बढ़ाया गया था, और दबाव आधे घंटे तक बनाए रखा गया था, फिर दबाव धीरे-धीरे जारी किया गया था, और दबाव को फिर से स्थिर गति से 37.5 एमपीए तक बढ़ाया गया था, और चक्र को 5 बार दोहराया गया था। संपूर्ण दबाव प्रक्रिया के दौरान आटोक्लेव में अचानक कोई दबाव कम नहीं हुआ। संपीड़न से पहले और बाद में दो हाइड्रोफोन नमूनों की उपस्थिति क्षतिग्रस्त नहीं हुई थी, और वजन समान था। फिर हाइड्रोफोन के ध्वनिक प्रदर्शन का स्टैंडिंग वेव ट्यूब में दोबारा परीक्षण किया गया। परीक्षण के नतीजों से पता चला कि हाइड्रोफोन ने दमन के बाद सामान्य रूप से काम किया, और इसकी संवेदनशीलता और प्रत्यक्षता मूल रूप से दमन से पहले जैसी ही थी। यह साबित हो चुका है कि सह-कंपन करने वाला गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन 37.5 एमपीए पानी के दबाव का सामना कर सकता है।

 

6 निष्कर्ष

बड़ी गहराई वाले वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव प्रतिरोध और ध्वनिक प्रदर्शन की आवश्यकताओं के अनुसार, यह पेपर एक सह-कंपन गोलाकार वेक्टर हाइड्रोफोन के न्यूनतम औसत घनत्व दबाव गोलाकार खोल के लिए एक डिजाइन विधि का प्रस्ताव करता है, जिसका इंजीनियरिंग कार्यान्वयन के लिए महत्वपूर्ण सैद्धांतिक मार्गदर्शक महत्व है। विशिष्ट गहरे समुद्र इंजीनियरिंग सामग्रियों का विश्लेषण और गणना की गई, और वेक्टर हाइड्रोफोन के दबाव-प्रतिरोधी शेल के लिए सामग्री के रूप में 7075T6 एल्यूमीनियम मिश्र धातु का चयन किया गया; शेल की ताकत और स्थिरता निर्धारित करने के लिए सैद्धांतिक गणना और परिमित तत्व सिमुलेशन के माध्यम से न्यूनतम औसत घनत्व दबाव प्रतिरोधी गोलाकार शेल डिजाइन विधि को अपनाया गया। बड़ी गहराई वाले सह-कंपन वेक्टर हाइड्रोफोन के डिजाइन और कार्यान्वयन ने 37.5 एमपीए जल दबाव परीक्षण पास कर लिया है; वेक्टर हाइड्रोफोन के बाहरी आयाम 3000 हर्ट्ज तक इसकी कार्य आवृत्ति की ऊपरी सीमा का समर्थन करते हैं, और संवेदनशीलता -188 डीबी@500 हर्ट्ज है, तीन चैनलों की संवेदनशीलता स्थिरता त्रुटि 1.2 डीबी से कम है, और संवेदनशीलता में उतार-चढ़ाव सभी 0.8 डीबी से कम है। तीन चैनलों की दिशा एक आदर्श आंकड़ा आठ है। यांत्रिक घूर्णन शोर के मामले में, अवतल बिंदु की गहराई भी 29.8 डीबी से अधिक है।