Optimalni dizajn sferne ljuske kovibracijskog vektorskog hidrofona(2)

Oblik hidrofona je standardni akustični pretvornik sferičnog oblika . Kuglasti omotač hidrofona sastoji se od gornje i donje polutke. Vanjski radijus dviju hemisfera je 36 mm, debljina stijenke donje polutke je 3 mm, a debljina stijenke gornje polutke je 4 mm. Za aksijalno brtvljenje u sredini koristi se gumeni O-prsten. Kako bi se smanjila kvaliteta dijela ljuske koji ne nosi pritisak, odabran je američki standardni O-prsten koji je tanji od nacionalnog standarda kako bi se smanjila širina utora za ugradnju O-prstena. Gornja i donja polukugla pričvršćene su navojima na kuglastom omotaču, tako da nema potrebe povećavati položaj ugradnje pričvrsnih vijaka, a također treba učiniti što manjim nenosivi dio omotača. Budući da su gornja i donja polutka pričvršćene nitima, položaj poravnanja dviju polutki je nasumičan prilikom zatezanja. Stoga su 4 rupe za opružni ovjes ravnomjerno raspoređene u središtu vanjske površine sferne ljuske umjesto dvije simetrično raspoređene na dvije polukuglaste ljuske. Otvor za ovjes petljaste opruge. Neka donja polutka bude malo veća, a gornja polutka malo manja, tako da se sve rupe za opružni ovjes u sredini nalaze na donjoj polutki. Senzor za hvatanje vibracija koristi troosni piezoelektrični akcelerometar. Akcelerometar je ugrađen u središte sferičnog omotača kroz nosač, a krug za kondicioniranje signala ugrađen je s druge strane nosača. Imajte na umu da se to 'središte' također nalazi u donjoj hemisferičnoj ljusci, tako da kada su dvije hemisfere zategnute, bez obzira na kut između gornje i donje hemisfere, to neće utjecati na poravnanje akcelerometra sa smjerom rupe za ovjes. Nakon što je montaža završena, težište cijelog vektorskog hidrofona treba se podudarati sa središtem sferne ljuske podvodni akustični pretvarač što je više moguće. Položaj težišta hidrofona na slici 1 automatski se izračunava softverom za 3D modeliranje, a nalazi se u geometrijskom središtu vektorskog hidrofona. Slabo područje dizajnirane sferne ljuske otporne na pritisak je spoj između utora O-prstena i sferne ljuske i otvora dijela za bušenje. Za spoj između utora O-prstena i sferičnog omotača, dodajte veliki zaokruživanje kako biste prijelaz učinili glatkim kako biste smanjili koncentraciju naprezanja. Za otvor probojnog dijela, s jedne strane, povećajte debljinu stijenke rupe kako biste povećali čvrstoću stijenke rupe, s druge strane dodajte velike okrugle kutove na prijelazu između stijenke rupe i unutarnje površine sferne ljuske, te na prijelazu između stjenke rupe i vanjske površine sferične ljuske. Povećajte materijal kako biste izgladili prijelaz i smanjili koncentraciju naprezanja. Kako bi se kompenzirao problem smanjenja čvrstoće uzrokovan otvaranjem gornje polukuglaste ljuske, debljina gornje polukuglaste ljuske povećana je za 1 mm u cjelini. Osim toga, čelični vijci otporni na pritisak koji se koriste za usmjeravanje kroz skladište imaju veću čvrstoću, ekvivalentnu čvrstim vijcima, i podržavaju rupe s navojem.

 

4.5 Simulacija performansi vektorskog hidrofona otpornog na pritisak

Iz slike 1. može se vidjeti da projektirana sferna ljuska otporna na pritisak vektorskog hidrofona više nije idealna sferna ljuska. Najveći utjecaj na performanse otpornosti na pritisak ima otvaranje veće rupe s navojem u gornjoj hemisferi. Utjecaj rupe povećao je debljinu gornje hemisfere za 1 mm. Te promjene nisu teoretski izračunate. Sljedeće koristi metodu analize konačnih elemenata za izvođenje strukturalne statičke simulacije i simulacije izvijanja svojstvene vrijednosti na trodimenzionalnom modelu sferne ljuske vektorskog hidrofona kako bi se provjerilo može li projektirani vektorski hidrofon izdržati vanjski tlak od 30 MPa. Korišteni softver za simulaciju konačnih elemenata je ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Statička simulacija konstrukcije

Uvezite trodimenzionalni digitalni model sferičnu ljusku vektorskog hidrofona u softver za simulaciju konačnih elemenata, postavite materijal ljuske na aluminijsku slitinu 7075T6 i postavite način kontakta između gornje ljuske i utikača i između gornje i donje ljuske za način povezivanja. Metoda heksaedra koristi se za umrežavanje modela, veličina mreže je postavljena na funkciju savijanja, a najveća veličina je postavljena na 0,8 mm. Pomaci u smjerovima x, y i z postavljeni su na 0 na gornjoj površini čepa kako bi se ograničila translacija modela; ograničenje cilindrične površine postavlja se na vanjsku cilindričnu površinu čepa, a tangencijalni smjer je fiksiran kako bi se ograničila rotacija i rotacija modela. Aksijalno i radijalno slobodno; primijenite tlačno opterećenje od 30 MPa na sve vanjske površine plašta hidrofona (uključujući unutarnju površinu utora O-prstena) i na njemu izvršite strukturnu statičku analizu. Distribucija intenziteta naprezanja plašta hidrofona dobivena simulacijom prikazana je na slici 2. Intenzitet naprezanja odabran je za analizu jer je ekvivalentan naprezanju temeljen na teoriji trećeg intenziteta, rezultat je sigurniji i prikladan je za analizu tlačnih posuda.

Intenzitet naprezanja prstenastog izbočenja uzrokovanog utorom O-prstena u sredini ljuske hidrofona (koji se može smatrati rebrastim prstenom za ukrućenje) je mali; vrijednost simulacije intenziteta naprezanja srednjeg dijela gornje i donje hemisferične ljuske hidrofonske ljuske je najmanja, njena vrijednost je manja od 202,7 MPa, ovdje ne uključuje diskontinuitet i koncentraciju naprezanja, može se smatrati primarnim ukupnim intenzitetom naprezanja filma, prema formuli (6), teoriji primarnog ukupnog naprezanja filma (to jest, maksimalnog glavnog naprezanja) tankih stijenki sferična ljuska Izračunata vrijednost je 187,8 MPa, što je u osnovi u skladu s rezultatima simulacije. Intenzitet naprezanja u većini područja unutarnje površine gornje i donje sferne ljuske je relativno velik, a njegova vrijednost je manja od 243,2 MPa. Naprezanje u ovoj točki pripada primarnom naprezanju na savijanje i zadovoljava granicu manje od 1,5 puta dopuštenog naprezanja. Postoji prstenasta velika zona naprezanja na spoju donje hemisferične ljuske i središnje prstenaste izbočine, intenzitet naprezanja je oko 324,2 MPa, naprezanje je ovdje primarno naprezanje plus sekundarno naprezanje, a njegova vrijednost je manja od 3 puta dopuštenog naprezanja, što zadovoljava projektne zahtjeve. Postoje lokalne koncentracije naprezanja na mjestu gdje je vrh gornje polukuglaste ljuske u kontaktu s čepom i na nekoliko mjesta u utoru O-prstena. Maksimalno naprezanje je 405,2 MPa, što pripada primarnom naprezanju plus sekundarnom naprezanju plus vršnom naprezanju. Ovo naprezanje neće utjecati na slom čvrstoće uglavnom utječe na slom tlačne ljuske uslijed zamora. Stoga sferična ljuska vektorskog hidrofona može izdržati vanjski tlak od 30 MPa bez gubitka čvrstoće.

 

4.5.2 Simulacija izvijanja svojstvene vrijednosti

Zatim se tlačno opterećenje na vanjskoj površini modela sferne ljuske hidrofona mijenja na 1 MPa, a analiza svojstvene vrijednosti izvijanja provodi se na temelju rezultata strukturne statičke analize. Ukupna deformacija oblika izvijanja prvog reda sferne ljuske hidrofona prikazana je na slici 3.

Iz slike 3 vidljivo je da se deformacija uglavnom događa u donjoj hemisferi, jer što je sferna ljuska tanja, to je stabilnost lošija. Faktor opterećenja na izvijanje prvog reda je 680,35, tako da je simulacijska vrijednost kritičnog tlaka nestabilnosti sferičnog omotača hidrofona 680,35 MPa, što je nešto više od kritičnog tlaka obodne nestabilnosti izračunatog formulom od 611,6 MPa. Stoga sferična ljuska vektorskog hidrofona može izdržati vanjski tlak od 30 MPa bez gubitka stabilnosti.

 

4.6 Proizvodnja vektorskih hidrofona

Gornja i donja poluloptasta ljuska na vektorski hidrofonski senzor obrađuju se CNC alatnim strojevima. Materijal je aluminijska legura 7075-T6, a površina je anodizirana kako bi se stvorio gusti oksidni zaštitni film za poboljšanje površinske tvrdoće i sprječavanje korozije morske vode. Dovršeni kovibracijski sferni vektorski hidrofon prikazan je na slici 4. Nakon stvarnog mjerenja, njegova masa iznosi 274,7 g, a gustoća 1,40 × 103 kg/m3. Vanjski radijus vektorskog hidrofona je Ro=36 mm, a zamjenom u jednadžbu (4), veličina ovog hidrofona podržava gornju granicu njegove radne frekvencije fmax=2653 Hz. Radi lakšeg korištenja, zaokružite gornju granicu njegove radne frekvencije na 3000 Hz. U ovom trenutku, kRo=0,45239, omjer gustoće 0r / r =1,40, zamjenom jednadžbi (1) i (2) u jednadžbe (1) i (2) da se dobije v/v0=0,77, maksimalna fazna razlika je samo 0,15 ° , što zadovoljava zahtjeve primjene.

 

5 Test performansi vektorskog hidrofona

Kako bi se provjerilo zadovoljavaju li akustička izvedba i otpornost na pritisak projektiranog i proizvedenog kovibracijskog sferičnog vektorskog hidrofona zahtjeve, uzorci hidrofona stavljaju se u cijev za stajaće valove radi ispitivanja osjetljivosti i usmjerenosti, a ispitivanje statičkim tlakom izvodi se u autoklavu.

 

5.1 Ispitivanje osjetljivosti

Osjetljivost troosnog piezoelektričnog akcelerometra koji se koristi u zajedničkoj vibraciji podvodni vektorski hidrofon u ovom članku je Ma=2500 mV/g. Osjetljivost vektorskog hidrofona na brzinu vibracija općenito se izražava ekvivalentnom osjetljivošću na zvučni tlak u slobodnom polju Mp. Postoji sljedeći odnos konverzije između Mp i Ma. Zamjenom stvarne izmjerene vrijednosti prosječne gustoće hidrofona u jednadžbu (3) može se dobiti | v/v0|=0,7895, zamjenom ove vrijednosti u jednadžbu (16), može se dobiti odnos između teorijske ekvivalentne osjetljivosti na zvučni tlak vektorskog hidrofona i frekvencije zvučnog vala, kao što je prikazano crnom punom linijom na slici 5. Na 500 Hz, teorijska osjetljivost vektorskog kanala vektorskog hidrofona je -187,4 dB (0 dB re 1V/μPa, isključujući faktor pojačanja ugrađenog pretpojačala hidrofona), što povećava osjetljivost za 6 dB po oktavi. Osjetljivost vektorskog hidrofona na brzinu vibracija testirana je u cijevi sa stojnim valovima pomoću metode usporedbe, a efektivni frekvencijski pojas cijevi sa stojnim valovima je 100~1000 Hz. Rezultati mjerenja osjetljivosti svakog kanala kovibracijskog sferičnog vektorskog hidrofona prikazani su na slici 5 s crvenim zvjezdicama. Može se vidjeti da su izmjerene krivulje osjetljivosti triju vektorskih kanala u osnovi u skladu s teorijskim krivuljama. Osjetljivost X, Y i Z kanala na 500 Hz je -188.9, -188.1, odnosno -187.6 dB. Pogreška dosljednosti osjetljivosti svakog vektorskog kanala u frekvencijskom pojasu mjerenja ne prelazi 1,2 dB; metoda najmanjih kvadrata koristi se za pronalaženje nagiba prilagođenog krivuljom osjetljivosti triju kanala, a najveća razlika između podataka o osjetljivosti triju kanala i odgovarajućeg nagiba manja je od 0,8 dB, odnosno nestabilnost razine osjetljivosti hidrofona manja je od 0,8 dB; osjetljivost se povećava za 6 dB po oktavi, što je u skladu s teoretskim trendom.

 

5.2 Ispitivanje usmjerenosti

 

Tri vektorska kanala ko-vibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona teoretski bi trebala imati kosinusnu usmjerenost neovisnu o frekvenciji. Metoda rotacije koristi se za mjerenje usmjerenosti ko-vibrirajućeg sfernog vektorskog hidrofona u cijevi sa stojnim valovima, a kutni interval ispitivanja rotacije je 0,4°. Ispitana je usmjerenost kanala X, Y i Z na 100, 500 i 1000 Hz. Rezultati pokazuju da kanali X, Y i Z imaju dobru kosinusnu usmjerenost na tri frekvencijske točke. Krivulje usmjerenosti kanala X, Y i Z pri 500 Hz prikazane su na slici 6. Može se vidjeti da je minimalna dubina pita krivulje usmjerenosti X-kanala 34,1 dB, a minimalna dubina pita krivulje usmjerenosti Y-kanala 29,8 dB. Minimalna dubina jama krivulje usmjerenosti kanala je 38,9 dB. Budući da je signal generiran zvučnim valom na kanalu koji se mjeri kada je vektorski hidrofon na konkavnoj točki izuzetno malen, rotirajući sustav se ne zaustavlja kada ispitni sustav radi, a mehaničke vibracije i buka rotirajućeg sustava izravno se prenose na vektor preko ovjesne opruge. Na hidrofonu je signal generiran na kanalu koji se mjeri često mnogo veći od akustičkog signala, pa je dubina jame dobivena mjerenjem mnogo plića od stvarne vrijednosti. Čak i tako, najmanja dubina udubljenja u tri vektorska kanala doseže 29,8 dB, što može zadovoljiti zahtjeve primjene.

 

5.3 Ispitivanje podnosivog napona

Ispitivanje statičkim tlakom kovibrirajućeg sferičnog hidrofona provedeno je u autoklavu. Prema GB 150.1, za hidrauličko ispitivanje vanjske tlačne posude, kao ispitni tlak treba uzeti 1,25 puta projektirani tlak. Projektirani tlak vektorskog hidrofona je 30 MPa, tako da je maksimalni tlak tlačne probe postavljen na 37,5 MPa. Tijekom ispitivanja simuliran je način pritiska klizanja hidrofona duž profila podvodne jedrilice. Prvo je tlak povećan na 37,5 MPa pri konstantnoj brzini, i tlak je održavan pola sata, zatim je tlak polako otpuštan, pa je tlak ponovno povećan na 37,5 MPa pri konstantnoj brzini, a ciklus je ponovljen 5 puta. Nije bilo iznenadnog pada tlaka u autoklavu tijekom cijelog procesa stvaranja tlaka. Izgled dva uzorka hidrofona prije i nakon kompresije nije oštećen, a težina je bila ista. Zatim je ponovno ispitana akustična izvedba hidrofona u cijevi za stajaće valove. Rezultati ispitivanja pokazali su da hidrofon radi normalno nakon potiskivanja, a njegova osjetljivost i usmjerenost uglavnom su jednaki kao i prije potiskivanja. Dokazano je da kovibrirajući sferni vektorski hidrofon može izdržati tlak vode od 37,5 MPa.

 

6 Zaključak

U skladu sa zahtjevima otpornosti na pritisak i akustičnim svojstvima vektorskog hidrofona velike dubine, ovaj rad predlaže metodu projektiranja sferičnog omotača tlaka minimalne prosječne gustoće kovibrirajućeg sferičnog vektorskog hidrofona, što ima važno teorijsko vodeće značenje za inženjersku realizaciju. Analizirani i izračunati tipične materijale za dubokomorsko inženjerstvo i odabrana aluminijska legura 7075T6 kao materijal za školjku vektorskog hidrofona otpornu na pritisak; usvojio metodu dizajna sferne ljuske otporne na pritisak minimalne prosječne gustoće, kroz teorijske izračune i simulacije konačnih elemenata, za određivanje čvrstoće i stabilnosti ljuske. Dizajn i implementacija ko-vibracijskog vektorskog hidrofona velike dubine prošli su test vodenog tlaka od 37,5 MPa; vanjske dimenzije vektorskog hidrofona podržavaju gornju granicu njegove radne frekvencije do 3000 Hz, a osjetljivost je -188 dB@500 Hz, pogreška dosljednosti osjetljivosti tri kanala je manja od 1,2 dB, a fluktuacije osjetljivosti su manje od 0,8 dB. Usmjerenost triju kanala je idealna osmica. U slučaju buke mehaničke rotacije, konkavna točka Dubina je također veća od 29,8 dB.