पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलाकार खोल पर आधारित दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन

के दबाव प्रतिरोध के आधार पर पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलाकार शेल, एक दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन को ध्वनिक संवेदनशील तत्व के रूप में रेडियल पोल्ड एयर बैकिंग पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलाकार शेल.ट्रांसड्यूसर का उपयोग करके डिजाइन और निर्मित किया गया था। सबसे पहले, ध्वनिक विशेषताओं जैसे कम आवृत्ति वाले खुले सर्किट, संवेदनशीलता और कंपन आवृत्ति का विश्लेषण किया गया, और परिमित तत्व विधि द्वारा अनुकरण किया गया। फिर ताकत और स्थिरता जैसे दबाव प्रतिरोधी प्रदर्शन का विश्लेषण किया गया, साथ ही एफई सॉफ्टवेयर के साथ अनुकरण किया गया। अंत में, इसके ध्वनिक प्रदर्शन और दबाव प्रतिरोध का परीक्षण किया गया। परीक्षण के नतीजे बताते हैं कि दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन का व्यास 36 मिमी है, और इसकी कार्य आवृत्ति सीमा 50 हर्ट्ज से 10 किलोहर्ट्ज़ तक है। कम आवृत्ति दबाव संवेदनशीलता 198:4 डीबी (0 डीबी रेफरी 1 वी/पीए) है, शोर स्पेक्ट्रम स्तर 1 किलोहर्ट्ज़ पर 46.5 डीबी है, और इसकी कार्य गहराई 3000 मीटर है। यह दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन गहरे पानी के हाइड्रोफोन के डिजाइन के लिए एक संदर्भ प्रदान करता है और गहरे पानी के ध्वनिकी के क्षेत्र में इसका महत्वपूर्ण अनुप्रयोग मूल्य है।

 

परिचय

 

21वीं सदी में प्रवेश करने के बाद से, गहरे समुद्र में अनुसंधान और विकास पर अधिक से अधिक ध्यान दिया गया है और यह देशों के बीच प्रतिस्पर्धा का एक गर्म क्षेत्र बन गया है। गहरे समुद्र में विकास के लिए दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन अपरिहार्य उपकरण हैं। इसके अलावा, विभिन्न देशों में सैन्य प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास के साथ, विभिन्न पानी के नीचे के उपकरण जैसे पनडुब्बी, टॉरपीडो, पानी के नीचे मानव रहित हवाई वाहन (यूयूवी), पानी के नीचे ग्लाइडर (यूयूजी), पानी के नीचे रोबोट (आरओवी), पनडुब्बी लक्ष्य, आदि। बढ़ती गहराई के साथ, इन गहरे पानी के उपकरणों को आमतौर पर दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन से लैस करने की आवश्यकता होती है जो उनकी कामकाजी गहराई को पूरा कर सकें। उच्च हाइड्रोस्टेटिक दबाव के प्रभावों का सामना करने के लिए, दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन आमतौर पर विशेष दबाव-प्रतिरोधी संरचनाओं या आंतरिक और बाहरी दबाव संतुलन डिजाइनों को अपनाते हैं, जैसे दबाव राहत या दबाव क्षतिपूर्ति संरचनाएं, तेल से भरी, अतिप्रवाह संरचनाएं, आदि। तेल से भरी और अतिप्रवाह संरचनाएं सैद्धांतिक रूप से पूरे समुद्र की गहराई के स्थैतिक दबाव का सामना कर सकती हैं, और दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली दबाव-प्रतिरोधी संरचनाएं हैं। इन दो संरचनाओं के दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन आम तौर पर प्राप्त ट्रांसड्यूसर के रूप में पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्यूब का उपयोग करते हैं। इस पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्यूब हाइड्रोफोन में सरल संरचना और प्रौद्योगिकी के फायदे हैं, लेकिन इसमें कम कम आवृत्ति वाले ओपन सर्किट वोल्टेज संवेदनशीलता के फायदे भी हैं। नुकसान. रेडियल रूप से ध्रुवीकृत पीजोइलेक्ट्रिक ट्यूब को प्राप्त संवेदनशीलता में सुधार करने के लिए स्लिट किया जाता है, लेकिन यह कार्यशील आवृत्ति बैंड को भी काफी कम कर देता है, जो केवल 10/200 हर्ट्ज है। यदि पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक राउंड ट्यूब हाइड्रोफोन का प्राप्त आवृत्ति बैंड इसकी अनुनाद आवृत्ति के करीब है, हालांकि संवेदनशीलता में सुधार किया जा सकता है, इसका कार्यशील आवृत्ति बैंड गंभीर रूप से सीमित हो जाएगा, और संवेदनशीलता वक्र की समतलता खो जाएगी। पीजोइलेक्ट्रिक राउंड ट्यूब ट्रांसड्यूसर के अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर का भी आमतौर पर ध्वनिक दबाव हाइड्रोफोन के लिए ट्रांसड्यूसर प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है। पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर के कई फायदे हैं जैसे सरल संरचना और प्रक्रिया, उच्च संवेदनशीलता, अच्छी सर्वदिशात्मकता और कार्य आवृत्ति की बैंडविड्थ। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि सामग्री और संरचना की विशेषताएं यह निर्धारित करती हैं कि पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलाकार खोल में ही उच्च प्रतिरोध होता है। तेल से भरी या अतिप्रवाह संरचना के अलावा, यह दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन के डिजाइन के लिए एक और संभावना प्रदान करता है, अर्थात, दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन के प्राप्त ट्रांसड्यूसर के रूप में एक वायु-समर्थित पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल का उपयोग।

 

1 ध्वनिक प्राप्त करने की विशेषताएं पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार शैल ट्रांसड्यूसर

 

 कम आवृत्ति प्राप्त करने की संवेदनशीलता

 

आकार और प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी द्वारा प्रतिबंधित, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलाकार गोले में आमतौर पर केवल एक ध्रुवीकरण मोड होता है: रेडियल ध्रुवीकरण, और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्रमशः गोलाकार खोल की आंतरिक और बाहरी सतहों पर होते हैं। एक पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर के लिए आंतरिक त्रिज्या a और बाहरी त्रिज्या b के साथ, जब ध्वनि दबाव p0 के अधीन होता है जिसकी आवृत्ति इसकी आंतरिक आवृत्ति से बहुत कम होती है, तो पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल के आंतरिक और बाहरी इलेक्ट्रोड के बीच एक संभावित अंतर V उत्पन्न होगा। हाइड्रोफ़ोन की प्राप्त संवेदनशीलता आमतौर पर मुक्त-क्षेत्र प्राप्त संवेदनशीलता मी द्वारा व्यक्त की जाती है। मी को हाइड्रोफोन के आउटपुट पर ओपन-सर्किट वोल्टेज और ध्वनि क्षेत्र में हाइड्रोफोन की स्थिति पर फ्री-फील्ड ध्वनि दबाव के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। इसका डेसीबल रूप फ्री-फील्ड ग्रहणशील संवेदनशीलता है। . इसलिए, वायु-समर्थित पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल की कम आवृत्ति वाले ओपन-सर्किट प्राप्त वोल्टेज संवेदनशीलता। इस आधार पर कि पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री इस लेख में उपयोग की जाने वाली सामग्री है, जब टी स्थिर होता है, तो बड़ा बी होता है, यानी, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल का बाहरी व्यास जितना बड़ा होगा, संवेदनशीलता उतनी ही अधिक होगी; जब बी निश्चित है और टी 0.36 है, तो संवेदनशीलता सबसे छोटी है, और डिजाइन में इस बिंदु से बचा जाना चाहिए; जब b निश्चित है और t <0:36, छोटा t, अर्थात, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार आवरण जितना पतला होगा, संवेदनशीलता उतनी ही अधिक होगी।

 

1.2 गुंजयमान आवृत्ति

 

एक पतली पीजोइलेक्ट्रिक के लिए गोलाकार पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर , हवा में इसकी गुंजयमान आवृत्ति। यह देखा जा सकता है कि पतले पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल की अनुनाद आवृत्ति केवल इसकी औसत त्रिज्या r है और सामग्री का घनत्व s, यंग मापांक Y E11 यह पॉइसन के अनुपात से संबंधित है, जो इसे आइसोट्रोपिक लोचदार सामग्री के गोलाकार खोल के सरलीकरण के बराबर है। यह देखा जा सकता है कि जब पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री निर्धारित की जाती है, तो गोलाकार खोल की औसत त्रिज्या r जितनी बड़ी होगी, अनुनाद बिंदु उतना ही अधिक होगा और कार्यशील बैंडविड्थ उतना ही व्यापक होगा। पानी में होने पर, पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की बढ़ी हुई विकिरण प्रतिबाधा के कारण, इसकी गुंजयमान आवृत्ति हवा में गुंजयमान आवृत्ति से थोड़ी कम होगी। जब पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार हाइड्रोफोन का उपयोग कम आवृत्ति रिसेप्शन के लिए किया जाता है, तो इसकी संवेदनशीलता की समतलता सुनिश्चित करने के लिए, इसकी कार्य आवृत्ति इसकी अनुनाद आवृत्ति से बहुत दूर होती है। इंजीनियरिंग में, आम तौर पर यह आवश्यक होता है कि इसकी अनुनाद आवृत्ति इसके कामकाज की ऊपरी सीमा आवृत्ति से कम से कम 5 गुना हो।

 

 

 

2 पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर के दबाव प्रतिरोध प्रदर्शन का विश्लेषण

 

दबाव-प्रतिरोधी संरचनाओं के विफलता मोड में मुख्य रूप से ताकत विफलता, कठोरता विफलता, स्थिरता विफलता और संक्षारण विफलता शामिल हैं। बड़ी गहराई वाले हाइड्रोफोन के लिए, यह जो भार वहन करता है वह मुख्य रूप से बाहरी पानी का दबाव होता है, और इसकी विफलता के तरीके मुख्य रूप से शक्ति विफलता और स्थिरता विफलता होते हैं। पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की दो विफलता स्थितियों पर नीचे चर्चा की गई है।

 

2.1 शक्ति विफलता विश्लेषण

ताकत विफलता उस घटना को संदर्भित करती है जिसमें कंटेनर में अधिकतम तनाव उपज सीमा से अधिक होने के बाद अपरिवर्तनीय विरूपण या फ्रैक्चर होता है, जिससे कंटेनर अपनी भार वहन क्षमता खो देता है। ताकत की विफलता के अनुरूप पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर का अधिकतम स्वीकार्य दबाव है। घूमने वाले खोल के क्षण-मुक्त सिद्धांत के अनुसार, बाहरी दबाव पी की कार्रवाई के तहत, गोलाकार खोल अक्षीय तन्यता तनाव z और घेरा तन्यता तनाव उत्पन्न करेगा, और दोनों मूल्य में बराबर हैं। उनमें से, D0 गोलाकार खोल व्यास के बाहर है, इकाई मिमी है; गोलाकार खोल की मोटाई है, इकाई मिमी है. अधिकतम प्रमुख तनाव के सिद्धांत के अनुसार, दबाव प्रतिरोधी संरचना डिजाइन को संतुष्ट किया जाना चाहिए। उनमें से, स्वीकार्य तनाव है। मेरे देश के राष्ट्रीय मानक जीबी 150.3 के अनुसार, सामग्री मानक सामान्य तापमान उपज शक्ति रिले के लिए, सुरक्षा कारक एनएस = 1:5 है। पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार आवरण में प्रयुक्त पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री पी-51 की सामान्य तापमान उपज शक्ति Rel = 137:9 MPa है, इसलिए सामग्री का स्वीकार्य तनाव [] = Rel/ns = 91:9 MPa है। पैरामीटर टी को प्रतिस्थापित करके, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर का अधिकतम स्वीकार्य दबाव प्राप्त किया जा सकता है क्योंकि यह जानना आसान है कि गोलाकार शेल की मोटाई और बाहरी व्यास का अनुपात टी जितना बड़ा होगा, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल की ताकत और दबाव प्रतिरोध क्षमता उतनी ही मजबूत होगी।

 

2.2 स्थिरता विफलता विश्लेषण

स्थिरता विफलता उस घटना को संदर्भित करती है कि कंटेनर बाहरी भार की कार्रवाई के तहत एक स्थिर संतुलन स्थिति से दूसरे अस्थिर स्थिति में बदल जाता है, और इसका आकार अचानक बदल जाता है और अपनी सामान्य कार्य क्षमता खो देता है। स्थिरता विफलता के अनुरूप पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर का महत्वपूर्ण अस्थिरता स्वीकार्य दबाव है। छोटे विरूपण के सिद्धांत के अनुसार, बाहरी बल के तहत गोलाकार खोल के महत्वपूर्ण अस्थिरता दबाव पीसीआर में इस सूत्र के लिए एक बड़ी त्रुटि होती है, इसलिए क्षतिपूर्ति के लिए अक्सर एक बड़े सुरक्षा कारक का उपयोग किया जाता है। जीबी 150.3 के अनुसार, स्थिरता सुरक्षा कारक को एम = 14:25 के रूप में लिया जाता है, इसलिए परिधीय अस्थिरता के लिए स्वीकार्य महत्वपूर्ण दबाव [पी] = पीसीआर/एम। पैरामीटर टी को उसी तरह से प्रतिस्थापित करने पर, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की परिधीय अस्थिरता के लिए स्वीकार्य महत्वपूर्ण दबाव जानना आसान है। जब पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री निर्धारित की जाती है, तो गोलाकार खोल की मोटाई और बाहरी व्यास का अनुपात जितना बड़ा होगा, दबाव उतना ही अधिक होगा। इलेक्ट्रिक बॉल शेल की स्थिरता और दबाव प्रतिरोध अधिक मजबूत होता है।

 

3 परिमित तत्व अनुकरण

उपरोक्त विश्लेषण से, पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल की संवेदनशीलता और कार्य आवृत्ति के लिए, बाहरी व्यास जितना बड़ा होगा, उतना पतला बेहतर होगा; और इसके दबाव प्रतिरोध के लिए, बाहरी व्यास जितना छोटा होगा, मोटाई उतनी ही अधिक होगी। अछा है। अर्थात्, ध्वनिक प्रदर्शन और दबाव प्रतिरोध प्रदर्शन परस्पर विरोधी हैं। ध्वनिक प्रदर्शन और दबाव प्रतिरोध की आवश्यकताओं के साथ-साथ गोलाकार खोल प्रसंस्करण की कठिनाई और लागत को ध्यान में रखते हुए (आमतौर पर बाहरी व्यास जितना बड़ा, मोटाई जितनी अधिक, प्रसंस्करण कठिनाई उतनी ही अधिक और लागत अधिक), डिजाइन गोलाकार खोल की बाहरी त्रिज्या बी = 15 मिमी, मोटाई = 3 मिमी। गोलाकार आवरण में प्रयुक्त पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री P-51 है, इसका पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक g33 = 25: 6 10 3 V m/N, g31 = 9: 6 10 3 V m/N, घनत्व s = 7600 kg/m3, यंग का मापांक Y E11 = 6:0 1010 Pa, पॉइसन का अनुपात = 0:36।

 

3.1 पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल की ध्वनिक विशेषताओं का अनुकरण

पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की ध्वनिक प्राप्त विशेषताओं के विश्लेषण की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए, इसे मॉडल और अनुकरण करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण विधि का उपयोग किया जाता है, और सिमुलेशन सॉफ्टवेयर COMSOL5.4 का उपयोग किया जाता है।

 

3.1.1 संवेदनशीलता अनुकरण प्राप्त करना

सबसे पहले एक त्रि-आयामी गोलाकार खोल संरचना मॉडल बनाएं। मॉडलिंग ज्यामिति को सरल बनाने और समाधान को तेज़ करने के लिए, मॉडल केवल 1/8 पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार गोले बनाता है और पूर्ण गोलाकार खोल प्राप्त करने के लिए 3 विमान समरूपता बाधाओं का उपयोग करता है। गोलाकार निर्देशांक में एक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री रेडियल ध्रुवीकरण समन्वय प्रणाली बनाएं और पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री पी-51 के सामग्री मापदंडों का उपयोग करें। सीमा भार को बाहरी सतह पर 0.1 एमपीए दबाव और आंतरिक सतह पर कोई दबाव नहीं के रूप में सेट करें। फ़्रीक्वेंसी डोमेन विश्लेषण करके, इसे एक स्थिर-अवस्था समस्या के रूप में हल किया जाता है। चित्र 2 500 हर्ट्ज की आवृत्ति और 0.1 एमपीए के दबाव के अधीन होने पर पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल के संभावित वितरण के सिमुलेशन परिणाम दिखाता है।

पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल के आकार और सामग्री मापदंडों को सूत्र में प्रतिस्थापित करते हुए, सैद्धांतिक ओपन सर्किट जब इसे 0.1 एमपीए की कम आवृत्ति वाले ध्वनि दबाव के अधीन किया जाता है, प्राप्त किया जा सकता है

आउटपुट वोल्टेज 11.646 वी है। चित्र 2 से देखा जा सकता है कि जब पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल को 0.1 एमपीए@500 हर्ट्ज के ध्वनि दबाव के अधीन किया जाता है, तो इसके आउटपुट वोल्टेज का सिमुलेशन परिणाम 11.632 वी होता है, जो सैद्धांतिक मूल्य के अनुरूप है। इस समय इसकी संवेदनशीलता 198.7 dB@500 Hz (0 dB = 1 V/Pa) है।

 

3.1.2 अनुनाद आवृत्ति सिमुलेशन

निम्नलिखित पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक गोलाकार खोल की अनुनाद आवृत्ति को अनुकरण करने के लिए परिमित तत्व सिमुलेशन विधि का भी उपयोग करता है, और सिमुलेशन आवृत्ति बैंड 1 हर्ट्ज / 200 किलोहर्ट्ज़ है। सबसे पहले, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल की सामग्री को एक आइसोट्रोपिक लोचदार सामग्री में सरलीकृत किया जाता है, और उस पर आवृत्ति स्वीप विश्लेषण किया जाता है, और इसके विरूपण की आवृत्ति प्रतिक्रिया वक्र चित्र 3 में दिखाया गया है। सूत्र (3) के अनुसार, हवा में पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल की गुंजयमान आवृत्ति एफए 58.557 kHz है। चित्र 3 से, यह देखा जा सकता है कि गुंजयमान आवृत्ति का सिम्युलेटेड मूल्य 58.9 kHz है, जो मूल रूप से सैद्धांतिक मूल्य के अनुरूप है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सूत्र (3) केवल आइसोट्रोपिक पतले गोलाकार खोल के लिए एक सरलीकृत गणना है, और पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल सामग्री आइसोट्रोपिक नहीं है, और मोटाई अपेक्षाकृत मोटी है, सीधे सूत्र (3) को लागू करने से कुछ त्रुटियां होंगी। यदि पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के पूर्ण मापदंडों को प्रतिस्थापित किया जाता है, तो ओपन सर्किट वोल्टेज संवेदनशीलता की आवृत्ति प्रतिक्रिया वक्र चित्र 4 में दिखाया गया है। चित्र 4 से देखा जा सकता है कि 1 हर्ट्ज 10 किलोहर्ट्ज आवृत्ति बैंड में, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल की संवेदनशीलता वक्र 198.7 डीबी की संवेदनशीलता के साथ बहुत सपाट है, जो सैद्धांतिक विश्लेषण के अनुरूप है। गुंजयमान आवृत्ति 72.1 kHz हो जाती है, जो सूत्र (3) के गणना परिणाम से थोड़ी बड़ी है, लेकिन यह इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में सूत्र की वैधता को प्रभावित नहीं करती है। चूंकि पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का प्रासंगिक भिगोना गुणांक प्राप्त नहीं किया जा सकता है, मॉडल में लचीलापन मैट्रिक्स हानि कारक और पीजोइलेक्ट्रिक मैट्रिक्स हानि कारक 0 पर सेट किया गया है, जो अनुकरण की ओर जाता है कि अनुनाद आवृत्ति पर पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल की संवेदनशीलता 155 डीबी है, वास्तव में संवेदनशीलता इस मूल्य से कम होनी चाहिए।

3.2 दबाव प्रतिरोध प्रदर्शन का अनुकरण पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल

धारा 2 में दबाव प्रतिरोध का सैद्धांतिक गणना सूत्र इंजीनियरिंग अनुप्रयोग की सुविधा के लिए संक्षेपित एक सरलीकृत सूत्र है, और वास्तविक पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल। स्थापना आवश्यकताओं के कारण छेद खोले जाएंगे, जिससे वास्तविक दबाव क्षमता सैद्धांतिक गणना परिणामों के साथ असंगत हो सकती है। पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की दबाव क्षमता को यथासंभव सटीक रूप से प्राप्त करने के लिए, परिमित तत्व विश्लेषण सॉफ्टवेयर वर्कबेंच के माध्यम से क्रमशः संरचना स्थैतिक सिमुलेशन और आइजेनवैल्यू बकलिंग सिमुलेशन किया गया था।

 

3.2.1 संरचनात्मक स्थैतिक अनुकरण

जब संरचना लोड के अंतर्गत होती है तो संरचनात्मक स्थैतिक सिमुलेशन पूरे ढांचे में तनाव वितरण प्राप्त कर सकता है। इसलिए, ज्ञात सामग्री का अधिकतम स्वीकार्य तनाव है

यह जो अधिकतम स्वीकार्य दबाव सहन कर सकता है उसका अनुकरण किया जा सकता है। गोलाकार खोल का एक त्रि-आयामी मॉडल स्थापित किया गया है, और बढ़ते छेद गोलाकार खोल मॉडल पर सेट किए गए हैं। गोलाकार खोल अपनाएं

हेक्साहेड्रोन विधि का उपयोग ग्रिड को विभाजित करने के लिए किया जाता है, और रोलर समर्थन को बेलनाकार सतह और बढ़ते छेद के निचले तल पर सेट किया जाता है, और पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की बाहरी सतह पर दबाव लगाया जाता है।

दबाव का आकार लगातार बदलते रहें और उस पर संरचनात्मक स्थैतिक विश्लेषण करें। सिमुलेशन में पाया गया कि जब बाहरी सतह पर लगाया गया दबाव 28 एमपीए तक पहुंच जाता है, तो पीजोइलेक्ट्रिक

गोलाकार खोल का अधिकतम तनाव 151 एमपीए है, और इसका तनाव वितरण चित्र 5 में दिखाया गया है (आंतरिक तनाव के अवलोकन की सुविधा के लिए, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल को केंद्र रेखा के साथ काटा जाता है)

दिखाओ)। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अधिकतम तनाव केवल बढ़ते छेद पर पट्टिका की सीमा रेखा पर होता है, और शेष अन्य स्थानों पर अधिकतम तनाव इससे कम होता है

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का सुरक्षित स्वीकार्य तनाव 91.9 एमपीए है, इसलिए सिमुलेशन के अनुसार पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल का अधिकतम स्वीकार्य दबाव 28 एमपीए तक पहुंच सकता है। और जड़

सूत्र (6) के अनुसार, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर का अधिकतम स्वीकार्य दबाव 36.8 एमपीए के रूप में प्राप्त किया जा सकता है। यह देखा जा सकता है कि छिद्रण के बाद गोलाकार खोल की संपीड़न शक्ति पूर्ण की तुलना में कम है

संपूर्ण गोलाकार खोल की सैद्धांतिक ताकत। सिमुलेशन में, बढ़ते छेद पर कुछ स्थानों पर दिखाई देने वाली तनाव एकाग्रता घटना सुरक्षा स्वीकार्य तनाव से अधिक है, और क्या यह पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल के दबाव प्रतिरोध को प्रभावित करती है, दबाव परीक्षण द्वारा सत्यापित किया जाना बाकी है।

 

3.2.2 आइजेनवैल्यू बकलिंग सिमुलेशन

आइजेनवैल्यू बकलिंग सिमुलेशन पतली-खोल संरचनाओं के बकलिंग मोड और उनके संबंधित महत्वपूर्ण बकलिंग दबाव प्राप्त कर सकता है। पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की बाहरी सतह पर 1 एमपीए का दबाव लगाया गया था, और इसका आइगेनवैल्यू बकलिंग विश्लेषण किया गया था। सिमुलेशन परिणाम दिखाते हैं कि प्रथम-क्रम बकलिंग मोड चित्र 6 में दिखाया गया है, और प्रथम-क्रम वेवनंबर n = 4 है, जो गोलाकार खोल की अस्थिरता विशेषताओं के अनुरूप है। प्रथम-क्रम बकलिंग लोड फैक्टर 3379 है, इसलिए इसका प्रथम-क्रम क्रिटिकल लोड 3379 एमपीए है। चूँकि पहला क्रम बकलिंग लोड का सबसे कम मूल्य है, इसका मतलब है कि पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल संरचना तब तक स्थिर नहीं होगी जब तक कि सैद्धांतिक दबाव 3379 एमपीए तक नहीं पहुंच जाता। सूत्र (7) के अनुसार, पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर की परिधीय अस्थिरता का महत्वपूर्ण दबाव 2970 एमपीए के रूप में प्राप्त किया जा सकता है, जो मूल रूप से सिमुलेशन परिणामों के अनुरूप है। परिमित तत्व सिमुलेशन परिणाम दिखाते हैं कि पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर का अधिकतम स्वीकार्य दबाव 28 एमपीए है, और इसका महत्वपूर्ण बकलिंग दबाव 3379 एमपीए है, जो इंगित करता है कि जब बाहरी दबाव बढ़ता रहता है, तो पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल बदलता है। ऊर्जा उपकरण की पहली घटना शक्ति विफलता है, जो यह भी दर्शाती है कि इसकी सुरक्षित झेलने वाली वोल्टेज गहराई 2800 मीटर है।

 

4 गोलाकार दबाव हाइड्रोफोन का विकास और प्रदर्शन परीक्षण

4.1 गोलाकार दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन का विकास

इस पेपर में, एक रेडियल ध्रुवीकृत वायु-समर्थित पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल ट्रांसड्यूसर का उपयोग ध्वनिक प्राप्त सेंसर के रूप में किया जाता है, और एक गोलाकार दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन डिजाइन और निर्मित किया जाता है। गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन में प्रयुक्त पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल की बाहरी त्रिज्या 15 मिमी है, गोलाकार शेल की मोटाई 3 मिमी है, और गोलाकार शेल के लिए उपयोग की जाने वाली पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री P-51 है। पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल के अंदर एक गुहा है, और सबसे बाहरी परत को इन्सुलेशन, सील और सुरक्षा के लिए ध्वनि-पारगम्य रबर की एक परत के साथ रखा गया है। ध्वनि-पारगम्य रबर की मोटाई 3 मिमी है। गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन की भौतिक वस्तु। पूरे हाइड्रोफोन का व्यास 36 मिमी है।

 

 

4.2 गोलाकार दबाव हाइड्रोफोन का प्रदर्शन परीक्षण

 

4.2.1 संवेदनशीलता परीक्षण प्राप्त करना

तैयार गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन को एक स्टैंडिंग वेव ट्यूब में रखा जाता है, और इसकी कम आवृत्ति वाले ओपन-सर्किट प्राप्त संवेदनशीलता का तुलना विधि द्वारा परीक्षण किया जाता है। गेंद-प्रतिरोधी

प्रेशर हाइड्रोफोन और मानक हाइड्रोफोन को एक ही समय में स्टैंडिंग वेव ट्यूब में समान ऊंचाई पर लटकाया जाता है, जिससे स्टैंडिंग वेव ट्यूब ध्वनि स्रोत की उत्सर्जन आवृत्ति बदल जाती है, और दोनों को एक ही समय में रिकॉर्ड किया जा सकता है।

तुलना विधि के माध्यम से, की प्राप्त संवेदनशीलता गोलाकार दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन प्राप्त होता है। उपयोग की जाने वाली स्टैंडिंग वेव ट्यूब केवल 50 1000 हर्ट्ज का संयोजन उत्पन्न कर सकती है

ग्रिड स्टैंडिंग वेव, इसलिए इस बार माप आवृत्ति बैंड 50 1000 हर्ट्ज है। गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन के संवेदनशीलता वक्र के मापा परिणाम चित्र 8 में दिखाए गए हैं

परीक्षण परिणाम से पता चलता है कि 50 1000 हर्ट्ज आवृत्ति बैंड में गोलाकार दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन की संवेदनशीलता लगभग 198.4 डीबी है, जो मूल रूप से सैद्धांतिक मूल्य के अनुरूप है। में

50 1000 हर्ट्ज की सीमा में, संवेदनशीलता में उतार-चढ़ाव 0.5 डीबी से अधिक नहीं होता है। स्टैंडिंग वेव ट्यूब को केवल 1 किलोहर्ट्ज़ से नीचे कैलिब्रेट किया जा सकता है। 1 किलोहर्ट्ज़ से 10 किलोहर्ट्ज़ फ़्रीक्वेंसी बैंड के लिए, माप एक एनेकोइक टैंक में किया जाता है। तैयार गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन और मानक हाइड्रोफोन को एनेकोइक टैंक की एक ही स्थिति में रखें, विभिन्न आवृत्तियों के एकल-आवृत्ति संकेतों को चलाने के लिए ध्वनि स्रोत का उपयोग करें, और प्राप्त संवेदनशीलता माप को पूरा करने के लिए तुलना विधि का उपयोग करें। 1 kHz और 10 kHz पर गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन की संवेदनशीलता वक्र के मापा परिणाम चित्र 9 में दिखाए गए हैं। परीक्षण परिणामों से यह देखा जा सकता है कि 1 kHz और 10 kHz के आवृत्ति बैंड में गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन की संवेदनशीलता लगभग 198 dB है, जो मूल रूप से सैद्धांतिक मूल्य के अनुरूप है। 1 kHz से 10 kHz की सीमा में, संवेदनशीलता में उतार-चढ़ाव 1.4 dB से अधिक नहीं होता है।

 

4.2.2 स्व-शोर परीक्षण

 

यह सुनिश्चित करने के लिए कि हाइड्रोफोन कमजोर ध्वनि संकेतों को पकड़ सके, हाइड्रोफोन में कम समतुल्य स्व-शोर होना आवश्यक है। गोलाकार दबाव हाइड्रोफोन

इसे विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण, भिगोना और कंपन में कमी के साथ एक वैक्यूम टैंक में रखा जाता है, और स्व-शोर परीक्षण बेहद कम शोर के साथ बीके-3050 सिग्नल अधिग्रहण कार्ड पर किया जाता है।

गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन के समतुल्य स्व-शोर स्पेक्ट्रम को चित्र 10 में लाल ठोस रेखा में दिखाया गया है। चित्र 10 में काली बिंदीदार रेखा समुद्र के शोर पर सबसे पहला शोध है। कुंडसन ​​[9] द्वारा 0-स्तरीय समुद्री राज्य महासागर पृष्ठभूमि शोर स्पेक्ट्रम स्तर का सारांश दिया गया है। कुंडसन ​​वक्र के अनुसार, समुद्र की स्थिति 0 के तहत समुद्र की पृष्ठभूमि का शोर। ध्वनि स्पेक्ट्रम स्तर लगभग 44 dB@1 kHz है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह डेटा 1948 में एक शोध परिणाम है। हाल के वर्षों में, वैश्विक शिपिंग के रूप में

तेजी से विकास के साथ, समुद्री पृष्ठभूमि का शोर साल दर साल बढ़ रहा है। चित्र 10 में नीली बिंदीदार रेखा 2013 में दक्षिण चीन सागर के पृष्ठभूमि शोर स्पेक्ट्रम स्तर को 0 स्तर की समुद्री स्थिति रेखा पर दिखाती है, यह देखा जा सकता है कि गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन का समतुल्य स्व-शोर स्पेक्ट्रम स्तर 10 1500 हर्ट्ज की सीमा में 0 समुद्री स्थिति के स्तर से कम या उसके बराबर है। दृश्य शोर 1500 की सीमा में 0 स्तर की समुद्री स्थिति महासागर पृष्ठभूमि शोर से थोड़ा अधिक है 5000 हर्ट्ज. 1000 हर्ट्ज़ पर इसका समतुल्य स्व-शोर स्पेक्ट्रम। स्तर 46.5 डीबी है।

 

4.2.3 वोल्टेज प्रदर्शन परीक्षण का सामना करें

की दबाव प्रतिरोध क्षमता को सत्यापित करने के लिए गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन , गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन का एक नमूना दबाव परीक्षण के लिए एक आटोक्लेव में रखा गया था। सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, परीक्षण प्रणाली पर उच्च दबाव वाले पानी का दबाव डाला जाता है। पिछले विश्लेषण के अनुसार, इसकी सुरक्षित दबाव प्रतिरोध क्षमता 28 एमपीए है, जो सुरक्षा कारक के 1.5 गुना से कम है

प्राप्त परिणाम, यानी इसकी सैद्धांतिक अंतिम दबाव क्षमता 42 एमपीए है। सुरक्षा और उपयोग में आसानी को संतुलित करने के लिए, यहाँ पर गोल किया गया है

परीक्षण के लिए 30 एमपीए। परीक्षण के दौरान, पहले 30 एमपीए तक दबाव डालें, 3 घंटे तक दबाव बनाए रखें, दबाव छोड़ें और हाइड्रोफोन की जांच करें; फिर 30 एमपीए तक फिर से दबाव डालें, और परीक्षण 3 बार दोहराएं। संपूर्ण दबाव प्रक्रिया के दौरान कोई महत्वपूर्ण दबाव ड्रॉप नहीं हुआ। प्रत्येक दबाव के बाद, परीक्षण किए जाने वाले हाइड्रोफोन की जांच करें। उपस्थिति क्षतिग्रस्त नहीं है. परीक्षण से पहले और बाद में वजन लगातार होता रहता है। फिर स्टैंडिंग वेव ट्यूब में संवेदनशीलता का दोबारा परीक्षण किया जाता है। परीक्षण के परिणाम से पता चलता है कि संवेदनशीलता मूल रूप से दबाव डालने से पहले की संवेदनशीलता के समान ही है। इससे साबित होता है कि यह 3000 मीटर पानी का दबाव झेल सकता है।

 

5। उपसंहार

इस पेपर में, सैद्धांतिक सूत्र और परिमित तत्व सिमुलेशन के संयोजन का उपयोग किया जाता है, और पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल संरचना और सामग्री में दबाव प्रतिरोध क्षमता होती है, और रेडियल ध्रुवीकृत वायु-समर्थित पीजोइलेक्ट्रिक गोलाकार खोल ट्रांसड्यूसर का उपयोग ध्वनिक प्राप्त संवेदनशील तत्व के रूप में किया जाता है। और एक गोलाकार दबाव प्रतिरोधी हाइड्रोफोन बनाया। गोलाकार दबाव-प्रतिरोधी हाइड्रोफोन का व्यास 36 मिमी है, कार्यशील आवृत्ति बैंड 50 हर्ट्ज 10 किलोहर्ट्ज़ है, कम-आवृत्ति संवेदनशीलता 198.4 डीबी है, समतुल्य स्व-शोर स्पेक्ट्रम स्तर 46.5 डीबी@1 किलोहर्ट्ज़ है, और कार्यशील गहराई 3000 मीटर है। इस पेपर में प्रयुक्त वायु-समर्थित पीज़ोइलेक्ट्रिक गोलाकार शेल योजना ने उच्च संवेदनशीलता की स्थिति के तहत एक निश्चित दबाव प्रतिरोध क्षमता प्राप्त की है। यदि दबाव प्रतिरोध गहराई में लगातार सुधार करना है, तो संवेदनशीलता को कीमत पर खोना होगा। यह समाधान अपेक्षाकृत सीमित दबाव प्रतिरोध प्राप्त कर सकता है। यदि हाइड्रोफोन को अधिक दबाव प्रतिरोध (जैसे समुद्र की पूरी गहराई) प्राप्त करने की आवश्यकता है, तो तेल से भरे या अतिप्रवाह समाधान का चयन करना बेहतर है।