Desain Optimal Cangkang Bulat Hidrofon Vektor Co-vibration (2)

Bentuk hidrofonnya standar transduser akustik bentuk bola . Cangkang bulat hidrofon terdiri dari belahan atas dan bawah. Jari-jari luar kedua belahan bumi adalah 36 mm, tebal dinding belahan bumi bawah adalah 3 mm, dan tebal dinding belahan bumi atas adalah 4 mm. Cincin-O karet digunakan untuk penyegelan aksial di tengah. Untuk meminimalkan kualitas bagian cangkang yang tidak menahan tekanan, dipilih cincin-O standar Amerika yang lebih tipis dari standar nasional untuk mengurangi lebar alur pemasangan cincin-O. Belahan atas dan bawah diikat dengan benang pada cangkang bola, sehingga tidak perlu menambah posisi pemasangan baut pengikat, dan juga membuat bagian cangkang yang tidak menahan tekanan sekecil mungkin. Karena belahan atas dan bawah diikat dengan benang, posisi penyelarasan kedua belahan tersebut acak saat dikencangkan. Oleh karena itu, 4 lubang suspensi pegas didistribusikan secara merata di tengah permukaan luar cangkang bola, bukan dua lubang yang didistribusikan secara simetris pada dua cangkang setengah bola. Lingkaran lubang suspensi pegas. Buatlah belahan bawah sedikit lebih besar dan belahan atas sedikit lebih kecil sehingga semua lubang suspensi pegas di tengah terletak di belahan bawah. Sensor penarik getaran menggunakan akselerometer piezoelektrik tiga sumbu. Akselerometer dipasang di tengah cangkang bola melalui braket, dan rangkaian pengkondisi sinyal dipasang di sisi lain braket. Perhatikan bahwa 'pusat' ini juga terletak di cangkang belahan bawah, sehingga ketika kedua belahan dikencangkan, berapa pun sudut antara belahan atas dan bawah, tidak akan mempengaruhi kesejajaran akselerometer dengan arah lubang suspensi. Setelah perakitan selesai, pusat gravitasi seluruh hidrofon vektor harus bertepatan dengan pusat cangkang bola transduser akustik bawah air sebanyak mungkin. Posisi pusat gravitasi hidrofon pada Gambar 1 dihitung secara otomatis oleh perangkat lunak pemodelan 3D, dan terletak pada pusat geometri hidrofon vektor. Area lemah dari cangkang bola tahan tekanan yang dirancang adalah sambungan antara alur cincin-O dan cangkang bola serta bukaan bagian penusuk. Untuk sambungan antara alur cincin-O dan cangkang bola, tambahkan fillet besar agar transisi menjadi mulus guna mengurangi konsentrasi tegangan. Untuk bukaan bagian penusuk, di satu sisi menambah ketebalan dinding lubang untuk menambah kekuatan dinding lubang, di sisi lain menambahkan sudut bulat besar pada transisi antara dinding lubang dan permukaan bagian dalam cangkang bola, dan pada transisi antara dinding lubang dan permukaan luar cangkang bola. Tingkatkan material untuk memperlancar transisi dan mengurangi konsentrasi tegangan. Untuk mengkompensasi masalah pengurangan kekuatan yang disebabkan oleh terbukanya cangkang hemisfer atas, ketebalan cangkang hemisfer atas ditingkatkan sebesar 1 mm secara keseluruhan. Selain itu, baut baja tahan tekanan yang digunakan untuk routing melalui gudang memiliki kekuatan yang lebih tinggi, setara dengan baut padat, dan menopang lubang berulir.

 

4.5 Simulasi kinerja cangkang hidrofon vektor yang tahan tekanan

Dapat dilihat dari Gambar 1 bahwa cangkang bola hidrofon vektor yang dirancang tahan tekanan bukan lagi cangkang bola yang ideal. Dampak terbesar pada kinerja tahan tekanan adalah terbukanya lubang berulir yang lebih besar di belahan bumi bagian atas. Pengaruh lubang tersebut telah meningkatkan ketebalan belahan bumi bagian atas sebesar 1 mm. Perubahan-perubahan ini belum dihitung secara teoritis. Berikut ini penggunaan metode analisis elemen hingga untuk melakukan simulasi statik struktur dan simulasi tekuk nilai eigen pada model tiga dimensi cangkang bola hidrofon vektor untuk memverifikasi apakah hidrofon vektor yang dirancang dapat menahan tekanan eksternal sebesar 30 MPa. Perangkat lunak simulasi elemen hingga yang digunakan adalah ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Simulasi statis struktural

Impor model digital tiga dimensi cangkang bola hidrofon vektor ke dalam perangkat lunak simulasi elemen hingga, atur bahan cangkang ke paduan aluminium 7075T6, dan atur mode kontak antara cangkang atas dan steker dan antara cangkang atas dan bawah ke mode pengikatan, Metode heksahedron digunakan untuk menyambungkan model, ukuran jaring disetel ke fungsi tekuk, dan ukuran maksimum disetel ke 0,8 mm. Perpindahan pada arah x, y, dan z diatur ke 0 pada permukaan atas sumbat untuk membatasi terjemahan model; batasan permukaan silinder diatur pada permukaan silinder luar sumbat, dan arah tangensial ditetapkan untuk membatasi rotasi dan rotasi model. Bebas aksial dan radial; berikan beban tekanan sebesar 30 MPa pada seluruh permukaan luar cangkang hidrofon (termasuk permukaan bagian dalam alur cincin-O), dan lakukan analisis statis struktural padanya. Distribusi intensitas tegangan pada cangkang hidrofon yang diperoleh melalui simulasi ditunjukkan pada Gambar 2. Intensitas tegangan dipilih untuk dianalisis karena merupakan tegangan ekuivalen berdasarkan teori intensitas ketiga, hasilnya lebih aman, dan cocok untuk analisis bejana tekan.

Intensitas tegangan tonjolan annular yang disebabkan oleh alur cincin-O di tengah cangkang hidrofon (yang dapat dianggap sebagai cincin rusuk yang kaku) kecil; nilai simulasi intensitas tegangan bagian tengah cangkang hemisfer atas dan bawah cangkang hidrofon adalah yang terkecil, Nilainya kurang dari 202,7 MPa, di sini tidak termasuk diskontinuitas dan konsentrasi tegangan, dapat dianggap sebagai intensitas tegangan film keseluruhan primer, menurut rumus (6), teori tegangan film keseluruhan primer (yaitu, tegangan utama maksimum) dari cangkang bola berdinding tipis Nilai yang dihitung adalah 187,8 MPa, yang pada dasarnya konsisten dengan hasil simulasi. Intensitas tegangan di sebagian besar area permukaan bagian dalam cangkang bola atas dan bawah relatif besar, dan nilainya kurang dari 243,2 MPa. Tegangan pada titik ini termasuk dalam tegangan lentur primer dan memenuhi batas kurang dari 1,5 kali tegangan ijin. Terdapat zona tegangan besar berbentuk lingkaran di persimpangan cangkang belahan bawah dan tonjolan cincin tengah, intensitas tegangannya sekitar 324,2 MPa, tegangan di sini adalah tegangan primer ditambah tegangan sekunder, dan nilainya kurang dari 3 kali tegangan ijin, yang memenuhi persyaratan desain. Terdapat konsentrasi tegangan lokal di tempat bagian atas cangkang hemisfer atas bersentuhan dengan sumbat dan beberapa tempat di alur cincin-O. Tegangan maksimumnya adalah 405,2 MPa yang termasuk tegangan primer ditambah tegangan sekunder ditambah tegangan puncak. Tegangan ini tidak akan mempengaruhi Dampak kegagalan kekuatan terutama mempengaruhi kegagalan kelelahan pada cangkang tekanan. Oleh karena itu, cangkang bola hidrofon vektor dapat menahan tekanan eksternal sebesar 30 MPa tanpa kegagalan kekuatan.

 

4.5.2 Simulasi tekuk nilai eigen

Selanjutnya, beban tekanan pada permukaan luar model cangkang bola hidrofon diubah menjadi 1 MPa, dan dilakukan analisis tekuk nilai eigen berdasarkan hasil analisis statik struktur. Deformasi total mode tekuk orde pertama dari cangkang bola hidrofon ditunjukkan pada Gambar 3.

Terlihat dari Gambar 3 bahwa deformasi terutama terjadi pada belahan bumi bagian bawah, karena semakin tipis cangkang bola maka kestabilannya semakin buruk. Faktor beban tekuk orde pertama adalah 680,35, sehingga nilai simulasi tekanan ketidakstabilan kritis cangkang bola hidrofon adalah 680,35 MPa, sedikit lebih tinggi dari tekanan kritis ketidakstabilan keliling yang dihitung dengan rumus 611,6 MPa. Oleh karena itu, cangkang bola hidrofon vektor dapat menahan tekanan eksternal sebesar 30 MPa tanpa kegagalan stabilitas.

 

4.6 Produksi hidrofon vektor

Cangkang belahan atas dan bawah sensor hidrofon vektor diproses oleh peralatan mesin CNC. Bahannya adalah paduan aluminium 7075-T6, dan permukaannya dianodisasi untuk membentuk film pelindung oksida padat untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan menghambat korosi air laut. Hidrofon vektor bola co-vibrasi yang telah selesai ditunjukkan pada Gambar 4. Setelah pengukuran sebenarnya, massanya adalah 274,7 g, dan massa jenisnya adalah 1,40 × 103 kg/m3. Jari-jari terluar hidrofon vektor adalah Ro=36 mm, dan disubstitusikan ke persamaan (4), ukuran hidrofon ini mendukung batas atas frekuensi kerjanya fmax=2653 Hz. Untuk kemudahan penggunaan, bulatkan batas atas frekuensi kerjanya menjadi 3000 Hz. Saat ini, kRo=0,45239, rasio densitas 0r / r =1,40, substitusikan persamaan (1) dan (2) ke dalam persamaan (1) dan (2) untuk mendapatkan v/v0=0,77, perbedaan fasa maksimum hanya 0,15 ° , yang memenuhi persyaratan aplikasi.

 

5 Tes kinerja hidrofon vektor

Untuk memeriksa apakah kinerja akustik dan ketahanan tekanan dari hidrofon vektor bola co-vibration yang dirancang dan diproduksi memenuhi persyaratan, sampel hidrofon ditempatkan dalam tabung gelombang berdiri untuk uji sensitivitas dan directivity, dan uji tekanan statis dilakukan dalam autoklaf.

 

5.1 Uji sensitivitas

Sensitivitas akselerometer piezoelektrik tiga sumbu yang digunakan dalam co-vibration vektor hidrofon bawah air pada artikel ini adalah Ma=2500 mV/g. Sensitivitas kecepatan getaran hidrofon vektor umumnya dinyatakan dengan sensitivitas tekanan suara medan bebas yang setara Mp. Ada hubungan konversi berikut antara Mp dan Ma. Dengan mensubstitusikan nilai terukur aktual dari massa jenis rata-rata hidrofon ke dalam persamaan (3), diperoleh | v/v0|=0,7895, dengan mensubstitusikan nilai ini ke persamaan (16), hubungan antara sensitivitas tekanan suara ekivalen teoritis hidrofon vektor dan frekuensi gelombang suara dapat diperoleh, seperti yang ditunjukkan oleh garis padat hitam pada Gambar 5. Pada 500 Hz, sensitivitas teoritis saluran vektor hidrofon vektor adalah -187,4 dB (0 dB re 1V/μPa, tidak termasuk faktor amplifikasi hidrofon bawaan preamplifier), yang meningkatkan sensitivitas sebesar 6 dB per oktaf. Sensitivitas kecepatan getaran hidrofon vektor diuji dalam tabung gelombang berdiri dengan menggunakan metode perbandingan, dan pita frekuensi efektif tabung gelombang berdiri adalah 100~1000 Hz. Hasil pengukuran sensitivitas masing-masing saluran hidrofon vektor bola co-vibration ditunjukkan pada Gambar 5 dengan titik bintang berwarna merah. Terlihat bahwa kurva sensitivitas ketiga saluran vektor yang diukur pada dasarnya konsisten dengan kurva teoritis. Sensitivitas saluran X, Y, dan Z pada 500 Hz masing-masing adalah -188,9, -188,1, dan -187,6 dB. Kesalahan konsistensi sensitivitas setiap saluran vektor pada pita frekuensi pengukuran tidak melebihi 1,2 dB; metode kuadrat terkecil digunakan untuk mencari kemiringan yang sesuai dengan kurva sensitivitas ketiga saluran, dan perbedaan maksimum antara data sensitivitas ketiga saluran dan kemiringan yang sesuai kurang dari 0,8 dB, yaitu ketidakstabilan tingkat sensitivitas hidrofon kurang dari 0,8 dB; sensitivitas meningkat sebesar 6 dB per oktaf, yang konsisten dengan tren teoritis.

 

5.2 Uji direktivitas

 

Tiga saluran vektor dari hidrofon vektor bola yang bergetar bersama secara teoritis harus memiliki pengarahan kosinus yang tidak bergantung pada frekuensi. Metode rotasi digunakan untuk mengukur directivity hidrofon vektor bola yang bergetar bersama dalam tabung gelombang berdiri, dan interval sudut uji rotasi adalah 0,4°. Pengarahan saluran X, Y, dan Z masing-masing pada 100, 500, dan 1000 Hz diuji. Hasilnya menunjukkan bahwa saluran X, Y, dan Z memiliki directivity kosinus yang baik pada ketiga titik frekuensi. Kurva directivity saluran X, Y, dan Z pada frekuensi 500 Hz ditunjukkan pada Gambar 6. Terlihat kedalaman pit minimum kurva directivity saluran X adalah 34,1 dB, dan kedalaman pit minimum kurva directivity saluran Y adalah 29,8 dB. Kedalaman lubang minimum kurva directivity saluran adalah 38,9 dB. Karena sinyal yang dihasilkan oleh gelombang suara pada saluran yang akan diukur ketika vektor hidrofon berada pada titik cekung sangat kecil, sistem berputar tidak berhenti ketika sistem pengujian bekerja, dan getaran mekanis serta kebisingan dari sistem berputar langsung ditransmisikan ke vektor melalui pegas suspensi. Pada hidrofon, sinyal yang dihasilkan pada saluran yang akan diukur seringkali jauh lebih besar dibandingkan sinyal akustik, sehingga kedalaman lubang yang diperoleh dari pengukuran jauh lebih dangkal dari nilai sebenarnya. Meski begitu, kedalaman pit terkecil pada ketiga saluran vektor tersebut mencapai 29,8 dB yang dapat memenuhi kebutuhan aplikasi.

 

5.3 Uji tegangan tahan

Uji tekanan statis hidrofon bola yang bergetar bersama dilakukan di dalam autoklaf. Menurut GB 150.1, untuk uji hidraulik bejana bertekanan eksternal, 1,25 kali tekanan desain harus diambil sebagai tekanan uji. Tekanan desain hidrofon vektor adalah 30 MPa, sehingga tekanan maksimum uji tekanan diatur ke 37,5 MPa. Selama pengujian, mode tekanan luncuran hidrofon di sepanjang profil pesawat layang bawah air disimulasikan. Pertama, tekanan dinaikkan menjadi 37,5 MPa dengan kecepatan konstan, dan tekanan dipertahankan selama setengah jam, kemudian tekanan dilepaskan secara perlahan, dan tekanan ditingkatkan lagi menjadi 37,5 MPa dengan kecepatan konstan, dan siklus diulangi sebanyak 5 kali. Tidak ada penurunan tekanan mendadak dalam autoklaf selama seluruh proses tekanan. Tampilan kedua sampel hidrofon sebelum dan sesudah kompresi tidak mengalami kerusakan, serta bobotnya sama. Kemudian kinerja akustik hidrofon diuji kembali dalam tabung gelombang berdiri. Hasil pengujian menunjukkan bahwa hidrofon bekerja normal setelah penekanan, dan sensitivitas serta pengarahannya pada dasarnya sama dengan sebelum penekanan. Hidrofon vektor bola yang bergetar bersama terbukti mampu menahan tekanan air 37,5 MPa.

 

6 Kesimpulan

Sesuai dengan persyaratan ketahanan tekanan dan kinerja akustik hidrofon vektor kedalaman besar, makalah ini mengusulkan metode desain untuk cangkang bola tekanan kepadatan rata-rata minimum dari hidrofon vektor bola yang bergetar bersama, yang memiliki signifikansi panduan teoretis yang penting untuk realisasi teknik. Menganalisis dan menghitung bahan rekayasa laut dalam yang khas, dan memilih paduan aluminium 7075T6 sebagai bahan untuk cangkang hidrofon vektor yang tahan tekanan; mengadopsi metode desain cangkang bola tahan tekanan kepadatan rata-rata minimum, melalui perhitungan teoritis dan simulasi elemen hingga, untuk menentukan kekuatan dan stabilitas cangkang. Desain dan implementasi hidrofon vektor co-vibration kedalaman besar telah lulus uji tekanan air 37,5 MPa; dimensi eksternal hidrofon vektor mendukung batas atas frekuensi kerjanya hingga 3000 Hz, dan sensitivitasnya -188 dB@500 Hz, kesalahan konsistensi sensitivitas ketiga saluran kurang dari 1,2 dB, dan fluktuasi sensitivitas semuanya kurang dari 0,8 dB. Directivity dari ketiga saluran adalah angka delapan yang ideal. Dalam kasus kebisingan rotasi mekanis, titik cekung Kedalamannya juga lebih tinggi dari 29,8 dB.