Progettazione ottimale del guscio sferico dell'idrofono vettoriale a covibrazione(2)

La forma dell'idrofono è uno standard trasduttore acustico di forma sferica . Il guscio sferico dell'idrofono è composto da emisferi superiori e inferiori. Il raggio esterno dei due emisferi è 36 mm, lo spessore della parete dell'emisfero inferiore è 3 mm e lo spessore della parete dell'emisfero superiore è 4 mm. Per la tenuta assiale al centro viene utilizzato un O-ring in gomma. Per ridurre al minimo la qualità della parte non portante del guscio, viene selezionato un O-ring standard americano più sottile dello standard nazionale per ridurre la larghezza della scanalatura di installazione dell'O-ring. Gli emisferi superiore e inferiore sono fissati mediante la filettatura sul guscio sferico, in modo che non sia necessario aumentare la posizione di installazione dei bulloni di fissaggio, e anche per rendere la parte del guscio non portante la più piccola possibile. Poiché gli emisferi superiore e inferiore sono fissati tramite fili, la posizione di allineamento dei due emisferi è casuale durante il serraggio. Pertanto, 4 fori di sospensione della molla sono distribuiti uniformemente al centro della superficie esterna del guscio sferico invece di due distribuiti simmetricamente sui due gusci emisferici. Foro di sospensione della molla ad anello. Rendi l'emisfero inferiore un po' più grande e l'emisfero superiore un po' più piccolo, in modo che tutti i fori di sospensione della molla al centro si trovino sull'emisfero inferiore. Il sensore di rilevamento delle vibrazioni utilizza un accelerometro piezoelettrico a tre assi. L'accelerometro è installato al centro del guscio sferico tramite una staffa, mentre il circuito di condizionamento del segnale è installato sull'altro lato della staffa. Si noti che questo 'centro' si trova anche nel guscio emisferico inferiore, in modo che quando i due emisferi sono serrati, non importa quale sia l'angolo tra gli emisferi superiore e inferiore, non influenzerà l'allineamento dell'accelerometro con la direzione del foro di sospensione. Una volta completato l'assemblaggio, il centro di gravità dell'intero idrofono vettoriale dovrebbe coincidere con il centro del guscio sferico trasduttore acustico subacqueo quanto più possibile. La posizione del baricentro dell'idrofono nella Figura 1 viene calcolata automaticamente dal software di modellazione 3D e si trova nel centro geometrico dell'idrofono vettoriale. Il punto debole del guscio sferico resistente alla pressione progettato è il collegamento tra la scanalatura dell'O-ring e il guscio sferico e l'apertura della parte perforante. Per la connessione tra la scanalatura dell'O-ring e il guscio sferico, aggiungere un raccordo ampio per rendere la transizione fluida e ridurre la concentrazione delle tensioni. Per l'apertura della parte perforante, da un lato, aumentare lo spessore della parete del foro per aumentare la resistenza della parete del foro, dall'altro, aggiungere grandi angoli arrotondati alla transizione tra la parete del foro e la superficie interna del guscio sferico, e alla transizione tra la parete del foro e la superficie esterna del guscio sferico Aumentare il materiale per attenuare la transizione e ridurre la concentrazione delle sollecitazioni. Per compensare il problema di riduzione della resistenza causato dall'apertura del guscio emisferico superiore, lo spessore del guscio emisferico superiore è stato complessivamente aumentato di 1 mm. Inoltre, i bulloni in acciaio resistenti alla pressione utilizzati per il passaggio attraverso il magazzino hanno una resistenza maggiore, equivalente ai bulloni solidi, e supportano i fori filettati.

 

4.5 Simulazione delle prestazioni del guscio resistente alla pressione dell'idrofono vettoriale

Dalla Figura 1 si può vedere che il guscio sferico resistente alla pressione progettato dell'idrofono vettoriale non è più un guscio sferico ideale. L'impatto maggiore sulle prestazioni di resistenza alla pressione è l'apertura di un foro filettato più grande nell'emisfero superiore. L'influenza del foro ha aumentato lo spessore dell'emisfero superiore di 1 mm. Questi cambiamenti non sono stati calcolati teoricamente. Di seguito viene utilizzato il metodo di analisi degli elementi finiti per eseguire la simulazione statica strutturale e la simulazione dell'instabilità degli autovalori sul modello tridimensionale del guscio sferico dell'idrofono vettoriale per verificare se l'idrofono vettoriale progettato può resistere a una pressione esterna di 30 MPa. Il software di simulazione agli elementi finiti utilizzato è ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Simulazione statica strutturale

Importa il modello digitale tridimensionale del vettore guscio sferico dell'idrofono nel software di simulazione degli elementi finiti, impostare il materiale del guscio sulla lega di alluminio 7075T6 e impostare la modalità di contatto tra il guscio superiore e la spina e tra i gusci superiore e inferiore per la modalità di collegamento. Il metodo esaedro viene utilizzato per meshare il modello, la dimensione della mesh è impostata su una funzione di piegatura e la dimensione massima è impostata su 0,8 mm. Gli spostamenti nelle direzioni x, yez sono impostati su 0 sulla superficie superiore del tappo per vincolare la traslazione del modello; un vincolo di superficie cilindrica è impostato sulla superficie cilindrica esterna del plug e la direzione tangenziale è fissa per limitare la rotazione e la rotazione del modello. Libero assiale e radiale; applicare un carico di pressione di 30 MPa su tutte le superfici esterne del guscio dell'idrofono (inclusa la superficie interna della scanalatura dell'O-ring) ed eseguire l'analisi statica strutturale su di esso. La distribuzione dell'intensità dello stress del guscio dell'idrofono ottenuta mediante simulazione è mostrata nella Figura 2. L'intensità dello stress è selezionata per l'analisi perché è uno stress equivalente basato sulla terza teoria dell'intensità, il risultato è più sicuro ed è adatto per l'analisi dei recipienti a pressione.

L'intensità dello stress del rigonfiamento anulare causato dalla scanalatura dell'O-ring al centro del guscio dell'idrofono (che può essere considerato come una nervatura di irrigidimento) è piccola; il valore di simulazione dell'intensità dello stress della parte centrale dei gusci emisferici superiore e inferiore dell'involucro dell'idrofono è il più piccolo, il suo valore è inferiore a 202,7 MPa, qui non include discontinuità e concentrazione dello stress, può essere considerato come l'intensità di stress primaria complessiva del film, secondo la formula (6), la teoria dello stress primario complessivo del film (ovvero, lo stress principale massimo) del guscio sferico a pareti sottili. Il valore calcolato è 187,8 MPa, che è fondamentalmente coerente con i risultati della simulazione. L'intensità dello stress nella maggior parte delle aree della superficie interna dei gusci sferici superiore e inferiore è relativamente elevata e il suo valore è inferiore a 243,2 MPa. La sollecitazione a questo punto appartiene alla sollecitazione di flessione primaria e soddisfa il limite di meno di 1,5 volte la sollecitazione ammissibile. C'è una grande zona anulare di sollecitazione alla giunzione del guscio emisferico inferiore e della sporgenza anulare centrale, l'intensità della sollecitazione è di circa 324,2 MPa, la sollecitazione qui è la sollecitazione primaria più la sollecitazione secondaria e il suo valore è inferiore a 3 volte la sollecitazione ammissibile, che soddisfa i requisiti di progettazione. Sono presenti concentrazioni di sollecitazioni locali nel punto in cui la parte superiore del guscio emisferico superiore è in contatto con il tappo e in alcuni punti nella scanalatura dell'O-ring. La sollecitazione massima è 405,2 MPa, che appartiene alla sollecitazione primaria più la sollecitazione secondaria più la sollecitazione di picco. Questo stress non influirà L'impatto del cedimento della resistenza influisce principalmente sul cedimento per fatica del guscio a pressione. Pertanto, il guscio sferico dell'idrofono vettoriale può sopportare una pressione esterna di 30 MPa senza cedimenti di resistenza.

 

4.5.2 Simulazione di instabilità agli autovalori

Successivamente, il carico di pressione sulla superficie esterna del modello a guscio sferico dell'idrofono viene modificato in 1 MPa e l'analisi di instabilità agli autovalori viene eseguita sulla base dei risultati dell'analisi statica strutturale. La deformazione totale della modalità di instabilità del primo ordine del guscio sferico dell'idrofono è mostrata nella Figura 3.

Dalla Figura 3 si può vedere che la deformazione avviene principalmente nell'emisfero inferiore, perché più sottile è il guscio sferico, peggiore è la stabilità. Il fattore di carico di punta del primo ordine è 680,35, quindi il valore di simulazione della pressione critica di instabilità del guscio sferico dell'idrofono è 680,35 MPa, che è leggermente superiore alla pressione critica di instabilità circonferenziale calcolata con la formula di 611,6 MPa. Pertanto, il guscio sferico dell'idrofono vettoriale può sopportare una pressione esterna di 30 MPa senza cedimento della stabilità.

 

4.6 Produzione di idrofoni vettoriali

I gusci emisferici superiore e inferiore del Le sensore idrofono vettoriale vengono elaborate da macchine utensili CNC. Il materiale è una lega di alluminio 7075-T6 e la superficie è anodizzata per formare una densa pellicola protettiva di ossido per migliorare la durezza superficiale e inibire la corrosione dell'acqua di mare. L'idrofono vettoriale sferico a co-vibrazione completato è mostrato nella Figura 4. Dopo la misurazione effettiva, la sua massa è 274,7 g e la sua densità è 1,40 × 103 kg/m3. Il raggio esterno dell'idrofono vettoriale è Ro=36 mm e, sostituendo nell'equazione (4), la dimensione di questo idrofono supporta il limite superiore della sua frequenza di lavoro fmax=2653 Hz. Per facilità d'uso, arrotondare il limite superiore della frequenza di lavoro a 3000 Hz. In questo momento, kRo=0,45239, rapporto di densità 0r / r =1,40, sostituendo le equazioni (1) e (2) nelle equazioni (1) e (2) per ottenere v/v0=0,77, la differenza di fase massima è di soli 0,15 ° , che soddisfa i requisiti dell'applicazione.

 

5 Test prestazionale dell'idrofono vettoriale

Per verificare se le prestazioni acustiche e la resistenza alla pressione dell'idrofono vettoriale sferico a covibrazione progettato e prodotto soddisfano i requisiti, i campioni di idrofono vengono posizionati nel tubo a onde stazionarie per test di sensibilità e direttività e il test di pressione statica viene eseguito nell'autoclave.

 

5.1 Test di sensibilità

La sensibilità dell'accelerometro piezoelettrico a tre assi utilizzato nella co-vibrazione l'idrofono vettoriale subacqueo in questo articolo è Ma=2500 mV/g. La sensibilità alla velocità di vibrazione di un idrofono vettoriale è generalmente espressa dalla sensibilità equivalente alla pressione sonora in campo libero Mp. Esiste la seguente relazione di conversione tra Mp e Ma. Sostituendo il valore effettivo misurato della densità media dell'idrofono nell'equazione (3) si può ottenere | v/v0|=0,7895, sostituendo questo valore nell'equazione (16), è possibile ottenere la relazione tra la sensibilità teorica equivalente alla pressione sonora dell'idrofono vettoriale e la frequenza dell'onda sonora, come mostrato dalla linea continua nera nella Figura 5. A 500 Hz, la sensibilità teorica del canale vettoriale dell'idrofono vettoriale è -187,4 dB (0 dB re 1V/μPa, escluso il fattore di amplificazione del preamplificatore integrato dell'idrofono), che aumenta la sensibilità di 6 dB per ottava. La sensibilità alla velocità di vibrazione dell'idrofono vettoriale viene testata in un tubo a onde stazionarie utilizzando un metodo di confronto e la banda di frequenza effettiva del tubo a onde stazionarie è 100~1000 Hz. I risultati misurati della sensibilità di ciascun canale dell'idrofono vettoriale sferico di co-vibrazione sono mostrati nella Figura 5 con i punti stellari rossi. Si può notare che le curve misurate della sensibilità dei tre canali vettoriali sono sostanzialmente coerenti con le curve teoriche. Le sensibilità dei canali X, Y e Z a 500 Hz sono rispettivamente -188,9, -188,1 e -187,6 dB. L'errore di coerenza della sensibilità di ciascun canale vettoriale nella banda di frequenza di misurazione non supera 1,2 dB; il metodo dei minimi quadrati viene utilizzato per trovare la pendenza adattata dalla curva di sensibilità dei tre canali e la differenza massima tra i dati di sensibilità dei tre canali e la pendenza corrispondente è inferiore a 0,8 dB, ovvero l'instabilità del livello di sensibilità dell'idrofono è inferiore a 0,8 dB; la sensibilità aumenta di 6 dB per ottava, in linea con l'andamento teorico.

 

5.2 Prova di direttività

 

I tre canali vettoriali dell'idrofono vettoriale sferico covibrante dovrebbero teoricamente avere direttività coseno indipendente dalla frequenza. Il metodo di rotazione viene utilizzato per misurare la direttività dell'idrofono vettoriale sferico covibrante nel tubo a onde stazionarie e l'intervallo angolare del test di rotazione è 0,4°. È stata testata la direttività dei canali X, Y e Z rispettivamente a 100, 500 e 1000 Hz. I risultati mostrano che i canali X, Y e Z hanno una buona direttività coseno nei tre punti di frequenza. Le curve di direttività dei canali X, Y e Z a 500 Hz sono mostrate nella Figura 6. Si può vedere che la profondità minima del pit della curva di direttività del canale X è 34,1 dB e la profondità minima del pit della curva di direttività del canale Y è 29,8 dB. La profondità minima della curva di direttività del canale è 38,9 dB. Poiché il segnale generato dall'onda sonora sul canale da misurare quando l'idrofono vettoriale si trova nel punto concavo è estremamente piccolo, il sistema rotante non si ferma quando il sistema di prova è in funzione e le vibrazioni meccaniche e il rumore del sistema rotante vengono trasmessi direttamente al vettore attraverso la molla di sospensione. Nell'idrofono, il segnale generato sul canale da misurare è spesso molto più grande del segnale acustico, quindi la profondità della fossa ottenuta dalla misurazione è molto inferiore al valore reale. Anche così, la profondità del pit più piccola nei tre canali vettoriali raggiunge 29,8 dB, il che può soddisfare i requisiti dell'applicazione.

 

5.3 Resistere al test di tensione

In autoclave è stata effettuata la prova di pressione statica dell'idrofono sferico covibrante. Secondo GB 150.1, per la prova idraulica di un recipiente a pressione esterna, come pressione di prova si dovrebbe prendere 1,25 volte la pressione di progetto. La pressione di progetto dell'idrofono vettoriale è 30 MPa, quindi la pressione massima del test di pressione è impostata su 37,5 MPa. Durante il test è stata simulata la modalità di pressione dell'idrofono che scivola lungo il profilo dell'aliante subacqueo. Innanzitutto, la pressione è stata aumentata a 37,5 MPa a velocità costante e la pressione è stata mantenuta per mezz'ora, quindi la pressione è stata rilasciata lentamente e la pressione è stata nuovamente aumentata a 37,5 MPa a velocità costante e il ciclo è stato ripetuto 5 volte. Non si è verificata alcuna caduta improvvisa di pressione nell'autoclave durante l'intero processo di pressurizzazione. L'aspetto dei due campioni di idrofono prima e dopo la compressione non era danneggiato e il peso era lo stesso. Quindi le prestazioni acustiche dell'idrofono sono state nuovamente testate nel tubo a onde stazionarie. I risultati del test hanno mostrato che l'idrofono funzionava normalmente dopo la soppressione e che la sua sensibilità e direttività erano sostanzialmente le stesse di prima della soppressione. È dimostrato che l'idrofono vettoriale sferico co-vibrante può sopportare una pressione dell'acqua di 37,5 MPa.

 

6 Conclusione

In conformità con i requisiti di resistenza alla pressione e prestazioni acustiche di un idrofono vettoriale di grande profondità, questo documento propone un metodo di progettazione per il guscio sferico di pressione di densità media minima di un idrofono vettoriale sferico co-vibrante, che ha un importante significato guida teorico per la realizzazione ingegneristica. Analizzato e calcolato i tipici materiali ingegneristici delle acque profonde e selezionato la lega di alluminio 7075T6 come materiale per il guscio resistente alla pressione dell'idrofono vettoriale; ha adottato il metodo di progettazione del guscio sferico resistente alla pressione con densità media minima, attraverso calcoli teorici e simulazioni di elementi finiti, per determinare la resistenza e la stabilità del guscio. La progettazione e l'implementazione di un idrofono vettoriale a co-vibrazione a grande profondità ha superato il test di pressione dell'acqua di 37,5 MPa; le dimensioni esterne dell'idrofono vettoriale supportano il limite superiore della sua frequenza di lavoro fino a 3000 Hz e la sensibilità è -188 dB a 500 Hz, l'errore di coerenza della sensibilità dei tre canali è inferiore a 1,2 dB e le fluttuazioni di sensibilità sono tutte inferiori a 0,8 dB. La direttività dei tre canali è una figura ideale otto. In caso di rumore di rotazione meccanica, anche il punto concavo ha una profondità superiore a 29,8 dB.