Desain Optimal Cangkang Bulat Hidrofon Vektor Co-vibration (1)

Abstrak: Bertujuan untuk mengatasi masalah tekanan struktur hidrofon vektor perairan dalam, diperoleh rumus tegangan maksimum dari cangkang bola bertekanan luar, serta pengaruh bahan dan dimensi getaran bersama. hidrofon vektor bola pada kinerja akustik dan kinerja tekanannya dianalisis di sini. Berdasarkan hal ini, diberikan metode desain cangkang bola tahan tekanan berdinding tipis dengan kepadatan rata-rata minimum. Bahan rekayasa laut dalam yang khas dipelajari, bahan paduan aluminium dipilih, dan hidrofon vektor bola co-vibration dengan kedalaman ketahanan tekanan yang dirancang sebesar 3000m diproduksi. Struktur hidrofon yang tahan tekanan disimulasikan dengan metode elemen hingga, dan sensitivitas, directivity, dan kemampuan tahan tekanannya diuji. Hasil penelitian menunjukkan bahwa hidrofon vektor memiliki directivity kosinus yang baik, sensitivitas -188 dB@500 Hz, dan mampu menahan tekanan eksternal 37,5MPa. Hal ini memverifikasi metode desain dan rekayasa cangkang bola tahan tekanan berdinding tipis dengan kepadatan rata-rata minimum yang diberikan dalam makalah ini. Rasionalitas dan kelayakan desain prototipe

 

Perkenalan

 

Itu Hidrofon vektor co-vibration dapat mengukur informasi vektor kecepatan getaran dalam medium medan suara, dan hidrofon vektor tunggal dapat menyelesaikan pencarian arah target akustik. Ia juga memiliki keunggulan ukuran kecil, konsumsi daya rendah, sensitivitas tinggi, pita frekuensi sedang, dan sangat cocok untuk dipasang pada platform tak berawak bawah air seperti pesawat layang bawah air dan pelampung profil untuk melakukan tugas seperti deteksi target dan pemantauan kebisingan lingkungan laut. Saat ini, dengan berkembangnya teknologi tahan tekanan, kedalaman kerja berbagai platform tak berawak bawah air semakin meningkat, yang menuntut persyaratan yang lebih tinggi untuk kemampuan hidrofon vektor yang tahan tekanan. Amerika Serikat, Rusia dan negara-negara lain telah mengembangkan hidrofon vektor dengan kedalaman kerja 5000~6000 m. Di dalam negeri, masih dalam tahap penelitian awal. Hidrofon vektor dengan kedalaman tahan tekanan 1000 m dibuat dengan menggunakan pot material komposit resin epoksi dan glass microbead serta pengisian minyak cangkang logam. Sensitivitas dan directivity hidrofon tidak memuaskan; skema cangkang dua lapis dari cangkang komposit luar dan cangkang paduan aluminium bagian dalam digunakan untuk merancang hidrofon vektor dengan kedalaman tahan tekanan 2000 m. Karena ukurannya yang besar, batas frekuensi atasnya yang tinggi hanya 1000 Hz; hidrofon vektor ko-getaran komposit tahan tekanan dirancang dan diproduksi dengan cangkang logam yang dilapisi dengan cangkang poliuretan. Tes menyelam, kedalaman menyelam maksimal 1200 m. Desain desain cangkang tipis paduan aluminium berbentuk kapsul mewujudkan hidrofon vektor co-vibration dengan ketahanan tekanan 20 MPa. Dalam makalah ini, teori desain bejana tekan yang relevan diterapkan pada desain hidrofon vektor kedalaman besar, dan cangkang bola berdinding tipis satu lapis yang terbuat dari bahan logam berkekuatan tinggi langsung digunakan sebagai cangkang tahan hidrofon vektor. Proses skema ini relatif sederhana, dan dapat mencapai kedalaman tegangan penahan yang besar. Dalam skema ini, bagaimana memilih bahan cangkang bola dan merancang ukuran cangkang bola sehingga kinerja akustik hidrofon vektor dapat ditingkatkan sebanyak mungkin dengan premis bahwa kinerja ketahanan tekanan memenuhi persyaratan adalah kunci dari desain cangkang bola tekanan hidrofon vektor.

 

1 Faktor yang mempengaruhi kinerja akustik hidrofon vektor bola yang bergetar bersama

 

Saat ikut bergetar Hidrofon vektor frekuensi rendah bekerja di medan suara bawah air, ia akan bergetar di bawah pengaruh medan suara. Atur kecepatan getarannya menjadi v. Selain itu, atur posisi pusat geometri hidrofon asli ketika hidrofon tidak diletakkan pada medan bunyi. Jika kecepatan getaran partikel medium adalah v0, maka prasyarat hubungan (3) berikut dapat dinyatakan sebagai frekuensi gelombang bunyi fc 2 π R. Dapat dilihat dari persamaan (3) bahwa ketika batas atas frekuensi kerja hidrofon vektor bola berosilasi jauh lebih kecil dari oc 2 π R, semakin kecil massa jenis rata-rata hidrofon, semakin kecil amplitudo kecepatan getaran v dan getaran titik kualitas air dalam bunyi bidang. Semakin besar nilai absolut rasio amplitudo kecepatan maka sensitivitas kecepatan getaran hidrofon semakin besar, dan beda fasa antara kecepatan getaran hidrofon dengan kecepatan getaran titik kualitas air mendekati nol. Karena hidrofon vektor co-vibrasi juga dilengkapi dengan sensor penangkap getaran, rangkaian pengkondisian sinyal, dan struktur tambahan lainnya, sulit untuk menyadari bahwa massa jenis rata-rata vr hidrofon vektor lebih kecil daripada massa jenis ρ 0 air. Rekayasa umumnya mengupayakan agar massa jenis rata-rata hidrofon mendekati massa jenis media air. Pada saat ini, hidrofon dapat menangkap kecepatan getaran titik kualitas air di medan bunyi kira-kira 1:1, dan batas atas frekuensi kerja hidrofon dapat berupa vektor getaran yang sama dengan air. Performa akustik pendengar terutama mencakup sensitivitas, directivity, dan pita frekuensi kerja. Ketika sensitivitas sensor pengambilan getaran internal konstan, sensitivitas hidrofon ditentukan oleh kepadatan rata-ratanya. Semakin kecil kepadatan rata-rata, semakin tinggi sensitivitas hidrofon. Pengarahan hidrofon terutama ditentukan oleh sensitivitas lateral sensor pengambilan getaran internal. Bentuk hidrofon juga akan mempengaruhi pengarahannya. Semakin dekat hidrofon dengan bentuk bola standar, semakin sedikit interferensi terhadap directivity. Karena batas frekuensi atas sensor penarik getaran internal umumnya tinggi, batas atas pita frekuensi kerja hidrofon umumnya ditentukan oleh jari-jari luar Ro hidrofon. Semakin kecil jari-jari luarnya maka semakin tinggi batas atas frekuensi kerja hidrofon. Oleh karena itu, ketika merancang cangkang bola tahan tekanan dari hidrofon vektor co-vibration, untuk memaksimalkan kinerja akustik hidrofon, kepadatan rata-rata r dari cangkang bola harus dibuat sekecil mungkin dengan alasan memenuhi kinerja tahan tekanan. Pada saat yang sama, buatlah radius luar Ro sekecil mungkin. Batas frekuensi atas dari hidrofon vektor bola yang bergetar bersama memerlukan semakin kecil jari-jari luarnya, semakin baik; sensitivitas hidrofon vektor bola yang bergetar bersama memerlukan semakin kecil kerapatan rata-rata, semakin baik; semakin kecil jari-jari luarnya ketika bahan dan ketebalannya tidak berubah, kepadatan rata-rata malah meningkat, yang merupakan kontradiksi. Kinerja tekanan dari hidrofon vektor bola yang bergetar bersama memerlukan semakin kecil jari-jari luar, semakin besar ketebalannya, dan semakin tinggi kekuatan material, semakin baik. Semakin kecil jari-jari luar dan semakin besar ketebalannya, semakin besar pula kepadatan rata-ratanya, yang juga merupakan kontradiksi. Ketahanan tekanan dan kinerja akustik dari hidrofon vektor bola yang bergetar bersama memerlukan desain cangkang bolanya sekecil mungkin (sensitivitas tinggi) dan radius luar sekecil mungkin (batas atas frekuensi tinggi) dengan alasan mencapai persyaratan ketahanan tekanan), batasan ini saling membatasi. Berikut ini akan mempelajari hubungan antara material, jari-jari luar dan ketebalan cangkang bola dari hidrofon vektor bola yang bergetar bersama serta ketahanan terhadap tekanan, sensitivitas dan batas atas frekuensi tinggi, untuk menemukan vektor dengan kinerja akustik terbaik dengan premis memenuhi kinerja tekanan. Skema desain cangkang bola hidrofon yang tahan tekanan.

 

2 Analisis kegagalan cangkang bola berdinding tipis di bawah tekanan eksternal

 

Ketika hidrofon vektor bola yang bergetar bersama bekerja secara normal di bawah air, cangkang bolanya yang tahan tekanan akan terkena tekanan hidrostatik eksternal. Ini adalah bejana tekanan eksternal. Tanpa mempertimbangkan kegagalan korosi, ada dua mode kegagalan utama: kegagalan kekuatan dan kegagalan stabilitas.

 

2.1 Kegagalan kekuatan

Kegagalan kekuatan berarti bahwa ketika tegangan maksimum suatu material dalam bejana tekan melebihi titik lelehnya, material tersebut berubah dari deformasi elastis menjadi deformasi plastis, yang mengakibatkan deformasi atau patah yang tidak dapat diubah. Menurut teori tegangan utama maksimum dan kriteria kegagalan elastis, jika cangkang bola bertekanan luar tidak mengalami kegagalan kekuatan, maka tegangan maksimum T harus kurang dari atau sama dengan tegangan kegagalan kekuatan yang diijinkan dari material yang digunakan dalam cangkang bola. Di bidang desain bejana tekan, orang menggunakan rumus tegangan maksimum saat merancang cangkang bola bertekanan eksternal. Rumus ini merupakan rumusan rangkuman pengalaman keinsinyuran. Perhitungannya sederhana, namun syarat pembentukannya adalah cangkang bola merupakan cangkang berdinding tipis sehingga diperlukan Ro/Ri. ≤ 1,35, dengan Ro adalah jari-jari terluar kulit bola dan Ri adalah jari-jari dalam. Solusi yang diperoleh dengan menggunakan rumus ini termasuk dalam solusi optimal lokal. Oleh karena itu, tegangan maksimum cangkang bola bertekanan eksternal diturunkan kembali. Misalkan p adalah tekanan luar pada kulit bola dan δ adalah tebal kulit bola. Menurut teori bebas momen dari cangkang berputar, tegangan radial di dalam cangkang bola berdinding tipis di bawah tekanan eksternal sangat kecil, dan hanya tegangan tekan aksial Tzz dan tegangan tekan melingkar T θθ yang dipertimbangkan. Karena bentuk geometris cangkang bola simetris terhadap pusat bola, maka tegangan tekan aksial dan tegangan tekan keliling mempunyai nilai yang sama. Pada penampang yang melewati pusat bola, gaya resultan tekanan luar p pada penampang cangkang bola adalah Fs=p π Ro2, dan luas penampang bahan cangkang Ss= π (Ro2-Ri2), sehingga Tzz dan T θθ dari cangkang bola bertekanan luar adalah cangkang bola. Kegagalan kekuatan tekanan eksternal maksimum yang diijinkan pi harus dipenuhi

 

2.2 Kegagalan stabilitas

Kegagalan stabilitas mengacu pada kegagalan bejana tekan dari keadaan setimbang stabil ke keadaan tidak stabil akibat aksi beban eksternal, dan tiba-tiba kehilangan bentuk geometris aslinya. Ketika ketebalan cangkang bola sangat tipis, kegagalan ketidakstabilan sering kali terjadi sebelum kegagalan kekuatan. Untuk cangkang bola berdinding tipis di bawah tekanan eksternal, rumus perhitungan tekanan tekuk kritis pcr diturunkan dari teori deformasi kecil, di mana E adalah modulus Young material cangkang bola dan merupakan rasio Poisson material. Perhitungan rumus tekanan kritis teoritis deformasi kecil relatif sederhana, tetapi kesalahannya relatif besar, yang dapat dikompensasi dengan faktor keamanan m yang lebih besar. GB 150.3 menetapkan m=14.52. Kemudian tekanan eksternal maksimum yang diijinkan ps untuk kegagalan stabilitas cangkang bola berdinding tipis harus dipenuhi.

 

3 Desain optimasi cangkang bola hidrofon vektor yang tahan tekanan

 

Cangkang bola yang tahan tekanan transduser hidrofon vektor tidak gagal dan harus memenuhi tekanan eksternal maksimum yang diijinkan p=min(pi, ps). Selain parameter material itu sendiri, tekanan eksternal maksimum yang diijinkan p dari cangkang bola hanya terkait dengan Ri/Ro. Definisikan variabel X=Ri/Ro. Mudah untuk mengetahui bahwa X adalah perbandingan jari-jari dalam dan luar kulit bola, X∈(0,1), variabel ini tidak berdimensi, semakin besar X maka semakin tipis kulit bola. Setelah tegangan ijin T dari bahan tertentu dan tekanan eksternal maksimum yang diijinkan p dari cangkang bola, diperoleh nilai maksimum X yang memenuhi persyaratan kekuatan cangkang bola, yang dicatat sebagai Xi. Demikian pula dengan modulus Young E, Setelah rasio Poisson μ dan tekanan eksternal maksimum yang diijinkan p dari cangkang bola, nilai maksimum X yang memenuhi persyaratan stabilitas cangkang bola dapat diperoleh sesuai dengan rumus, yang dicatat sebagai Xs. Hidrofon vektor bola yang bergetar bersama dapat menahan air statis eksternal Fungsi tekanan p tanpa kegagalan, dan cangkang bola yang tahan tekanan harus memenuhi kondisi tidak ada kegagalan kekuatan dan kegagalan stabilitas pada saat yang sama, dan nilai maksimum X yang memenuhi persyaratan pada saat yang sama adalah X = min X, X (12) Xmax ditentukan Nanti, kepadatan rata-rata minimum dari cangkang bola dapat diperoleh lebih lanjut. Mudah untuk mengetahui bahwa volume bahan cangkang bola adalah Vc=4π(Ro3-Ri3)/3. Massa cangkang bola mc=ρVc, dengan ρ adalah massa jenis bahan cangkang bola. Volume air yang dikeluarkan oleh cangkang bola adalah Vs=4πRo3/3. Maka massa jenis rata-rata kulit bola r adalah ρ adalah massa jenis bahan, yang merupakan konstanta positif; suku (1-X3) X∈(0,1) selalu bernilai positif dan menurun secara monoton. Kepadatan rata-rata minimum dari cangkang bola yang memenuhi persyaratan tekanan. Oleh karena itu, untuk mendapatkan desain optimal cangkang bola tahan tekanan dari hidrofon vektor co-vibration, pertama-tama, kebutuhan tekanan p dan sifat material harus disubstitusikan ke dalam rumus untuk menghitung Xmax ; Mengganti Xmax ke dalam rumus dapat memperoleh kepadatan rata-rata minimum dari cangkang bola yang memenuhi persyaratan tekanan. Dengan asumsi massa total sensor penarik getaran, rangkaian pengkondisi sinyal, dan struktur tambahan lainnya di dalam hidrofon vektor ko-getaran, nilai minimum kerapatan rata-rata hidrofon adalah nilai tertentu; dalam kasus di mana bahan cangkang bola dan persyaratan ketahanan tekanan p ditentukan Di bawah ini, ini juga merupakan nilai pasti. Untuk hidrofon vektor, Ro menentukan batas atas fmax frekuensi kerja hidrofon vektor. Batas atas frekuensi kerja hidrofon vektor dipilih dan jari-jari terluar Ro dari cangkang bola hidrofon vektor ditentukan. Kemudian dapat diperoleh massa jenis rata-rata minimum hidrofon, dan dapat diperoleh sensitivitas kecepatan getaran hidrofon vektor. Demikian pula, jika sensitivitas kecepatan getaran vektor hidrofon dipilih, maka massa jenis rata-rata hidrofon dapat diperoleh sesuai dengan persamaan (3), dan jari-jari terluar cangkang bola hidrofon saat ini dapat diperoleh, dan vektor dapat diperoleh Batas atas frekuensi kerja hidrofon. Melalui langkah-langkah di atas, kita dapat menemukan material yang paling sesuai dan solusi optimal teoretis dari parameter ukuran seperti jari-jari luar dan ketebalan cangkang bola tahan tekanan. Dan berdasarkan data ukuran dasar cangkang bola tahan tekanan, desain detail selanjutnya dilakukan. Setelah desain selesai, perangkat lunak simulasi elemen hingga digunakan untuk melakukan analisis distribusi tegangan dan analisis tekuk pada cangkang tahan tekanan yang dirancang untuk memastikan bahwa cangkang tidak mengalami kegagalan kekuatan dan kegagalan stabilitas di bawah tekanan desain.

 

4 Contoh desain cangkang bola hidrofon vektor yang tahan tekanan

Saat ini, kedalaman kerja pesawat layang bawah air arus utama domestik, pelampung profil, dan platform tak berawak bawah air lainnya telah mencapai level 2000 m. Untuk memberikan margin keamanan tertentu, kedalaman ketahanan tekanan desain hidrofon diatur ke 3000 m, yaitu p=30 MPa.

 

4.1 Optimalisasi material cangkang

Pertama, kita harus memilih bahan logam terbaik untuk cangkang bola tahan tekanan dari hidrofon vektor co-vibration. Tabel 1 mencantumkan sifat mekanik dari beberapa bahan rekayasa laut dalam yang umum digunakan seperti baja tahan karat 304, 316L, paduan aluminium 6061T6, 7075T6, paduan titanium TC4, dan kuningan H90. Mungkin ada sedikit perbedaan dalam nilai material yang relevan). Mengganti persyaratan tekanan p dan sifat-sifat berbagai bahan pada Tabel 1 ke dalam rumus dapat digunakan untuk memperoleh bahan rekayasa yang memenuhi persyaratan kekuatan Xi, persyaratan stabilitas Xs, dan keduanya Xmax; gantikan Xmax yang diperoleh ke dalam rumus, Kepadatan rata-rata minimum yang dapat dicapai oleh cangkang bola yang terbuat dari setiap bahan yang memenuhi persyaratan tekanan dapat diperoleh. Jika suatu material tertentu memenuhi persyaratan kekuatan Xi kurang dari persyaratan stabilitas Xs, maka material tersebut dibuat menjadi bola yang memenuhi persyaratan kekuatan. Dalam kasus cangkang, stabilitasnya berlebih; demikian pula, jika Xi suatu bahan tertentu lebih besar dari Xs, ketika bahan tersebut dibuat menjadi cangkang bola yang memenuhi persyaratan stabilitas, kekuatannya berlebih. Semakin dekat nilai Xi dan Xs, semakin seimbang kekuatan dan stabilitas cangkang bola yang terbuat dari bahan tersebut. Di antara beberapa bahan yang ditunjukkan pada Tabel 2, Xi dari paduan titanium TC4 lebih besar dari Xs, menunjukkan bahwa kekuatan cangkang bola yang terbuat dari bahan ini berlebih ketika memenuhi persyaratan stabilitas. Kecuali untuk TC4, Xi dari material yang tersisa semuanya lebih kecil dari Xs, yang menunjukkan bahwa stabilitas cangkang bola yang terbuat dari material ini berlebih ketika memenuhi persyaratan kekuatan. Di antara material pada Tabel 2, Xi dan Xs dari paduan aluminium 7075T6 dan paduan titanium TC4 relatif dekat, menunjukkan bahwa kekuatan dan stabilitas cangkang bola yang terbuat dari kedua material tersebut relatif seimbang. Dapat dilihat dari Tabel 2 bahwa dengan premis memenuhi ketahanan tekanan 30 MPa, di antara beberapa bahan teknik yang umum digunakan tercantum dalam tabel, kerapatan rata-rata cangkang bola yang terbuat dari paduan aluminium dan paduan titanium TC4 dapat mencapai kerapatan mendekati atau kurang dari air, yang konsisten dengan Persyaratan desain hidrofon vektor bola yang bergetar bersama. Diantaranya, material paduan titanium TC4 memiliki Xmax terbesar, yaitu cangkang bola tahan tekanan tertipis yang terbuat dari bahan ini. Cangkang bola tahan tekanan yang terbuat dari bahan 7075T6 dapat mencapai kepadatan rata-rata terkecil, meninggalkan margin massa terbesar untuk struktur internal lainnya. Selain itu, paduan aluminium memiliki keunggulan lebih besar dibandingkan paduan titanium TC4 dalam hal biaya bahan dan biaya pemrosesan. Oleh karena itu, paduan aluminium adalah bahan terbaik untuk membuat cangkang bola tahan tekanan vektor hidrofon.

 

4.2 Desain ukuran cangkang bola tahan tekanan

Bahan paduan aluminium dipilih untuk membuat cangkang bola hidrofon dengan ketahanan tekanan 30 MPa, dan kepadatan rata-rata minimum cangkang bola yang memenuhi persyaratan tekanan adalah 0,64×103 kg/m3, dan X=0,9177 saat ini. Jika sensitivitas kecepatan getaran vektor hidrofon |v/v0| diperbolehkan hingga 0,8, desain sebenarnya dari cangkang bola hidrofon harus dirancang dalam dua bagian untuk memudahkan pemasangan komponen internal. Diasumsikan bahwa dua cangkang setengah bola hidrofon telah dirakit. Massa tambahan hidrofon yang diukur, akselerometer, braket pemasangan, rangkaian pengkondisi sinyal, dan ruang penembus kedap air yang digunakan pada hidrofon sebenarnya memiliki jumlah massa 99,5 g, jadi jumlah massa tambahan me = 149,5 g. Jari-jari luar Ro = 36,48 mm dari cangkang bola hidrofon diperoleh. X=Ri/Ro=0,9177, jari-jari dalam cangkang bola Ri=33,48 mm, tebal cangkang bola=3,00 mm, untuk memudahkan perhitungan, menggambar dan mengolah, jari-jari dalam cangkang bola Ri dibulatkan ke bawah menjadi 33 mm, jari-jari luar Ro adalah 36mm.

 

4.3 Periksa kinerja tegangan penahan

Setelah mendapatkan data ukuran cangkang bola tahan tekanan, untuk memastikan bahwa ia dapat memenuhi persyaratan tahan tekanan, kinerja tahan tekanan diperiksa, dan dua kasus kegagalan kekuatan dan kegagalan stabilitas dipertimbangkan.

 

4.3.1 Kegagalan kekuatan

Dapat dilihat dari Tabel 1 bahwa tegangan ijin paduan aluminium yang digunakan untuk cangkang bola adalah 190 MPa, yang digabungkan dengan parameter ukuran cangkang bola untuk memperoleh kekuatan kegagalan tekanan yang diijinkan dari cangkang bola adalah 30,4 MPa, yaitu lebih besar dari 30 MPa, yang memenuhi persyaratan tekanan.

 

4.3.2 Kegagalan stabilitas

Rasio Poisson paduan aluminium μ=0,33, modulus Young E=7,2×1010 Pa, dan sistem stabilitas m=14,52. Mengganti data material dan ukuran cangkang bola ke dalam persamaan (8) dan (9), tekanan ketidakstabilan keliling kritis pcr=611,6 MPa dihitung, dan tekanan ketidakstabilan keliling yang diijinkan adalah 42,1 MPa, yang lebih besar dari 30 MPa, yang memenuhi persyaratan tekanan. Terlihat bahwa cangkang bola hidrofon vektor yang tahan tekanan mampu menahan tekanan hidrostatis eksternal sebesar 30 MPa. Dan tekanan yang diijinkan untuk ketidakstabilan melingkar lebih besar dari tekanan yang diijinkan untuk kegagalan kekuatan. Jika tekanan terus meningkat di luar cangkang bola, efek kekuatan akan terjadi terlebih dahulu.

 

4.4 Desain teknik cangkang tekanan hidrofon vektor

Setelah menentukan data dasar seperti material, jari-jari luar dan ketebalan cangkang bola hidrofon vektor yang tahan tekanan, maka dapat dilakukan desain detail cangkang hidrofon vektor. Makalah ini menggunakan perangkat lunak pemodelan 3D untuk melakukan desain tambahan hidrofon vektor getaran bersama bola kedalaman besar. Tampak penampang struktur vektor hidrofon ditunjukkan pada Gambar 1.