Idrofono resistente alla pressione basato su guscio sferico in ceramica piezoelettrica

In base alla resistenza alla pressione di lo stesso guscio sferico in ceramica piezoelettrica , un idrofono resistente alla pressione è stato progettato e fabbricato utilizzando un guscio sferico in ceramica piezoelettrico con supporto d'aria radialmente polarizzato. trasduttore come elemento sensibile acustico. In primo luogo, sono state analizzate le caratteristiche acustiche come la sensibilità del circuito aperto a bassa frequenza, la sensibilità di ricezione e la frequenza di vibrazione, e simulate con il metodo degli elementi finiti. Successivamente sono state analizzate le prestazioni di resistenza alla pressione come resistenza e stabilità, anch'esse simulate con il software FE. Infine, sono state testate le prestazioni acustiche e la resistenza alla pressione. I risultati dei test mostrano che il diametro dell'idrofono resistente alla pressione è di 36 mm e la sua gamma di frequenza di lavoro va da 50 Hz a 10 kHz. La sensibilità alla pressione a bassa frequenza è di 198:4 dB (0 dB rif 1 V/Pa), il livello dello spettro del rumore è di 46,5 dB a 1 kHz e la sua profondità di lavoro è di 3000 m. Questo idrofono resistente alla pressione fornisce un riferimento per la progettazione di idrofoni per acque profonde e ha un importante valore applicativo nel campo dell'acustica delle acque profonde.

 

introduzione

 

Dall’inizio del 21° secolo, la ricerca e lo sviluppo in acque profonde hanno ricevuto sempre più attenzione e sono diventati un’area calda per la concorrenza tra i paesi. Gli idrofoni resistenti alla pressione sono attrezzature indispensabili per lo sviluppo delle acque profonde. Inoltre, con il rapido sviluppo della tecnologia militare in vari paesi, varie attrezzature subacquee come sottomarini, siluri, veicoli aerei senza equipaggio subacquei (UUV), alianti subacquei (UUG), robot sottomarini (ROV), bersagli sommergibili, ecc. Con l'aumentare della profondità, queste attrezzature per acque profonde di solito devono essere dotate di idrofoni resistenti alla pressione in grado di soddisfare la loro profondità di lavoro. Per resistere agli effetti dell'elevata pressione idrostatica, gli idrofoni resistenti alla pressione di solito adottano speciali strutture resistenti alla pressione o progetti di bilanciamento della pressione interna ed esterna, come strutture di scarico della pressione o di compensazione della pressione, strutture riempite d'olio, di troppo pieno, ecc. Le strutture riempite d'olio e di troppo pieno possono teoricamente resistere alla pressione statica dell'intera profondità del mare e sono le strutture resistenti alla pressione più comunemente utilizzate per gli idrofoni resistenti alla pressione. Gli idrofoni resistenti alla pressione di queste due strutture utilizzano generalmente un tubo ceramico piezoelettrico come trasduttore ricevente. Questo idrofono piezoelettrico a tubo ceramico presenta i vantaggi di una struttura e di una tecnologia semplici, ma presenta anche i vantaggi della sensibilità alla tensione a circuito aperto a bassa frequenza. Svantaggi. Il tubo piezoelettrico polarizzato radialmente è fessurato per migliorare la sensibilità di ricezione, ma restringe notevolmente anche la banda di frequenza di lavoro, che è di soli 10/200 Hz. Se la banda di frequenza di ricezione dell'idrofono piezoelettrico a tubo tondo ceramico è vicina alla sua frequenza di risonanza, sebbene la sensibilità possa essere migliorata, la sua banda di frequenza di lavoro sarà fortemente limitata e la planarità della curva di sensibilità andrà persa. Oltre ai trasduttori piezoelettrici a tubo tondo, i trasduttori piezoelettrici a guscio sferico sono anche comunemente usati trasduttori di ricezione per idrofoni a pressione acustica. Il trasduttore piezoelettrico a guscio sferico presenta molti vantaggi come struttura e processo semplici, elevata sensibilità, buona omnidirezionalità e larghezza di banda della frequenza di lavoro. Ancora più importante, le caratteristiche del materiale e della struttura determinano che lo stesso guscio sferico in ceramica piezoelettrica abbia un'elevata resistenza. Oltre alla struttura riempita d'olio o di troppopieno, ciò fornisce un'altra possibilità per la progettazione di idrofoni resistenti alla pressione, ovvero l'uso di un guscio sferico piezoelettrico supportato da aria come trasduttore ricevente dell'idrofono resistente alla pressione.

 

1 Caratteristiche di ricezione acustica di trasduttore piezoelettrico a guscio sferico

 

 Sensibilità di ricezione a bassa frequenza

 

Limitati dalla forma e dalla tecnologia di lavorazione, i gusci sferici in ceramica piezoelettrica hanno solitamente una sola modalità di polarizzazione: polarizzazione radiale, e gli elettrodi positivi e negativi si trovano rispettivamente sulle superfici interna ed esterna del guscio sferico. Per un trasduttore piezoelettrico a guscio sferico con raggio interno pari a a e raggio esterno pari a b, quando sottoposto a una pressione sonora p0 la cui frequenza è molto inferiore alla sua frequenza intrinseca, verrà generata una differenza di potenziale V tra gli elettrodi interno ed esterno del guscio sferico piezoelettrico. La sensibilità di ricezione di un idrofono è generalmente espressa dalla sensibilità di ricezione in campo libero Me. Me è definito come il rapporto tra la tensione a circuito aperto all'uscita dell'idrofono e la pressione sonora in campo libero nella posizione dell'idrofono nel campo sonoro. La sua forma decibel è la sensibilità di ricezione in campo libero. . Pertanto, la sensibilità alla tensione di ricezione a circuito aperto a bassa frequenza del guscio sferico piezoelettrico con supporto in aria. Partendo dalla premessa che il materiale piezoelettrico è il materiale utilizzato in questo articolo, quando t è costante, maggiore è b, ovvero maggiore è il diametro esterno del guscio sferico piezoelettrico, maggiore è la sensibilità; Quando b è certo et 0,36, la sensibilità è minima e questo punto dovrebbe essere evitato nella progettazione; quando b è certo et <0:36, minore è t, cioè più sottile è l'involucro sferico piezoelettrico, maggiore è la sensibilità.

 

1.2 Frequenza di risonanza

 

Per un piezoelettrico sottile trasduttore acustico subacqueo sferico , la sua frequenza di risonanza nell'aria. Si può vedere che la frequenza di risonanza del sottile guscio sferico piezoelettrico è solo il suo raggio medio r e la densità del materiale s, il modulo di Young Y E11 È correlato al rapporto di Poisson, che equivale a semplificarlo in un guscio sferico di materiale elastico isotropo. Si può vedere che quando viene determinato il materiale piezoelettrico, maggiore è il raggio medio r del guscio sferico, più alto è il punto di risonanza e più ampia è la larghezza di banda operativa. Quando è in acqua, a causa della maggiore impedenza di radiazione del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico, la sua frequenza di risonanza sarà leggermente inferiore alla frequenza di risonanza nell'aria. Quando l'idrofono sferico piezoelettrico viene utilizzato per la ricezione a bassa frequenza, per garantire la piattezza della sua sensibilità, la sua frequenza di lavoro è lontana dalla frequenza di risonanza. In ingegneria è generalmente richiesto che la sua frequenza di risonanza sia almeno 5 volte la frequenza limite superiore di funzionamento.

 

 

 

2 Analisi delle prestazioni di resistenza alla pressione del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico

 

Le modalità di cedimento delle strutture resistenti alla pressione comprendono principalmente cedimento di resistenza, cedimento di rigidità, cedimento di stabilità e cedimento per corrosione. Per gli idrofoni di grande profondità, il carico sopportato è principalmente la pressione dell'acqua esterna e le modalità di guasto sono principalmente il cedimento della resistenza e il cedimento della stabilità. Le due situazioni di guasto del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico sono discusse di seguito.

 

2.1 Analisi del cedimento della resistenza

Il cedimento della resistenza si riferisce al fenomeno per cui si verifica una deformazione o frattura irreversibile dopo che la sollecitazione massima nel contenitore supera il limite di snervamento, causando la perdita della capacità portante del contenitore. La pressione massima consentita del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico corrisponde alla rottura della resistenza. Secondo la teoria priva di momento del guscio rotante, sotto l'azione della pressione esterna p, il guscio sferico produrrà una sollecitazione di trazione assiale z e una sollecitazione di trazione circolare, e le due hanno lo stesso valore. Tra questi, D0 è esterno al diametro del guscio sferico, l'unità è mm; è lo spessore del guscio sferico, l'unità è mm. Secondo la teoria della massima tensione principale, il progetto della struttura resistente alla pressione deve essere soddisfatto. Tra questi c'è lo stress consentito. Secondo lo standard nazionale GB 150.3 del mio paese, per il limite di snervamento a temperatura normale standard del materiale Rel, il fattore di sicurezza è ns = 1:5. Il normale carico di snervamento termico del materiale ceramico piezoelettrico P-51 utilizzato nel guscio sferico piezoelettrico è Rel = 137:9 MPa, quindi la sollecitazione ammissibile del materiale [] = Rel/ns = 91:9 MPa. Sostituendo il parametro t, è possibile ottenere la pressione massima consentita del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico poiché è facile sapere che maggiore è il rapporto t tra lo spessore del guscio sferico e il diametro esterno, maggiore è la forza del guscio sferico piezoelettrico e la capacità di resistenza alla pressione.

 

2.2 Analisi del fallimento della stabilità

Il fallimento della stabilità si riferisce al fenomeno per cui il contenitore cambia da uno stato di equilibrio stabile a un altro stato instabile sotto l'azione di un carico esterno e la sua forma cambia improvvisamente e perde la sua normale capacità di funzionamento. Corrispondente al fallimento della stabilità è la pressione ammissibile di instabilità critica del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico. Secondo la teoria della piccola deformazione, la pressione critica di instabilità pcr del guscio sferico sotto la forza esterna ha un grande errore per questa formula, quindi per compensare viene spesso utilizzato un grande fattore di sicurezza. Secondo GB 150.3, il fattore di sicurezza della stabilità è considerato pari a m = 14:25, quindi la pressione critica ammissibile per l'instabilità circonferenziale [p] = pcr/m. Sostituendo allo stesso modo il parametro t, è facile conoscere la pressione critica ammissibile per l'instabilità circonferenziale del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico. Quando viene determinato il materiale piezoelettrico, maggiore è il rapporto t tra lo spessore del guscio sferico e il diametro esterno, maggiore è la pressione. La stabilità e la resistenza alla pressione del guscio della sfera elettrica sono più forti.

 

3 Simulazione degli elementi finiti

Dall'analisi di cui sopra, per la sensibilità e la frequenza di lavoro del guscio sferico piezoelettrico, maggiore è il diametro esterno, più sottile è, meglio è; e per la sua resistenza alla pressione, minore è il diametro esterno, maggiore è lo spessore. è buono Cioè, le prestazioni acustiche e le prestazioni di resistenza alla pressione sono reciprocamente opposte. Considerando i requisiti di prestazione acustica e resistenza alla pressione, nonché la difficoltà e il costo della lavorazione del guscio sferico (solitamente maggiore è il diametro esterno, maggiore è lo spessore, maggiore è la difficoltà di lavorazione e maggiore il costo), il raggio esterno del guscio sferico di progetto b = 15 mm, Spessore = 3 mm. Il materiale piezoelettrico utilizzato nel guscio sferico è P-51, il suo coefficiente piezoelettrico g33 = 25: 6 10 3 V m/N, g31 = 9: 6 10 3 V m/N, densità s = ​​7600 kg/m3, modulo di Young Y E11 = 6:0 1010 Pa, rapporto di Poisson = 0:36.

 

3.1 Simulazione delle caratteristiche acustiche del guscio sferico piezoelettrico

Per verificare la correttezza dell'analisi delle caratteristiche di ricezione acustica del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico, viene utilizzato il metodo di analisi degli elementi finiti per modellarlo e simularlo e viene utilizzato il software di simulazione COMSOL5.4.

 

3.1.1 Simulazione della sensibilità di ricezione

Per prima cosa crea un modello tridimensionale della struttura del guscio sferico. Per semplificare la geometria di modellazione e accelerare la soluzione, il modello crea solo gusci sferici piezoelettrici da 1/8 e utilizza 3 vincoli di simmetria piana per ottenere un guscio sferico completo. Creare un sistema di coordinate di polarizzazione radiale del materiale piezoelettrico in coordinate sferiche e utilizzare i parametri del materiale del materiale piezoelettrico P-51. Impostare il carico limite come pressione di 0,1 MPa sulla superficie esterna e nessuna pressione sulla superficie interna. Eseguendo l'analisi nel dominio della frequenza, viene risolto come un problema di stato stazionario. La Figura 2 mostra i risultati della simulazione della distribuzione potenziale del guscio sferico piezoelettrico quando sottoposto ad una pressione con una frequenza di 500 Hz e una pressione di 0,1 MPa.

Sostituendo nella formula le dimensioni e i parametri del materiale del guscio sferico piezoelettrico, è possibile ottenere il circuito aperto teorico quando è sottoposto a una pressione sonora a bassa frequenza di 0,1 MPa

La tensione di uscita è 11,646 V. Dalla Figura 2 si può vedere che quando il guscio sferico piezoelettrico è sottoposto a una pressione sonora di 0,1 MPa a 500 Hz, il risultato della simulazione della sua tensione di uscita è 11,632 V, che è coerente con il valore teorico. In questo momento la sua sensibilità è 198,7 dB@500 Hz (0 dB = 1 V/Pa).

 

3.1.2 Simulazione della frequenza di risonanza

Di seguito viene utilizzato anche il metodo di simulazione degli elementi finiti per simulare la frequenza di risonanza del guscio sferico in ceramica piezoelettrica e la banda di frequenza di simulazione è 1 Hz/200 kHz. Innanzitutto, il materiale del guscio sferico piezoelettrico viene semplificato in un materiale elastico isotropo, su di esso viene eseguita l'analisi della scansione di frequenza e la curva di risposta in frequenza della sua deformazione è mostrata nella Figura 3. Secondo la formula (3), la frequenza di risonanza fa del guscio sferico piezoelettrico nell'aria risulta essere 58,557 kHz. Dalla Fig. 3 si può vedere che il valore simulato della frequenza di risonanza è 58,9 kHz, che è sostanzialmente coerente con il valore teorico. Va notato che la formula (3) è solo un calcolo semplificato per il guscio sferico sottile isotropo, e il materiale del guscio sferico piezoelettrico non è isotropo e lo spessore è relativamente spesso, applicando direttamente la formula (3) si verificheranno alcuni errori. Se vengono sostituiti i parametri completi della ceramica piezoelettrica, la curva di risposta in frequenza della sensibilità alla tensione a circuito aperto è mostrata nella Figura 4. Dalla Figura 4 si può vedere che nella banda di frequenza 1 Hz 10 kHz, la curva di sensibilità del guscio sferico piezoelettrico è molto piatta, con una sensibilità di 198,7 dB, che è coerente con l'analisi teorica. La frequenza di risonanza diventa 72,1 kHz, che è leggermente maggiore del risultato del calcolo della formula (3), ma non influisce sulla validità della formula nelle applicazioni ingegneristiche. Poiché non è possibile ottenere il coefficiente di smorzamento rilevante del materiale piezoelettrico, il fattore di perdita della matrice di flessibilità e il fattore di perdita della matrice piezoelettrica nel modello sono impostati su 0, il che porta alla simulazione che la sensibilità del guscio sferico piezoelettrico alla frequenza di risonanza è 155 dB, infatti la sensibilità dovrebbe essere inferiore a questo valore.

3.2 Simulazione delle prestazioni di resistenza alla pressione di guscio sferico piezoelettrico

La formula di calcolo teorico della resistenza alla pressione nella sezione 2 è una formula semplificata riassunta per comodità dell'applicazione ingegneristica e per l'effettivo guscio sferico piezoelettrico. I fori verranno aperti a causa delle esigenze di installazione, il che potrebbe far sì che la capacità di pressione effettiva non sia coerente con i risultati del calcolo teorico. Per ottenere la capacità di pressione del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico nel modo più accurato possibile, la simulazione statica della struttura e la simulazione dell'instabilità agli autovalori sono state eseguite rispettivamente tramite il software di analisi degli elementi finiti Workbench.

 

3.2.1 Simulazione statica strutturale

La simulazione statica strutturale può ottenere la distribuzione delle sollecitazioni in tutta la struttura quando la struttura è sotto carico. Pertanto, la sollecitazione massima consentita del materiale noto è

È possibile simulare la pressione massima consentita che può sopportare. Viene stabilito un modello tridimensionale del guscio sferico e i fori di montaggio vengono impostati sul modello del guscio sferico. Adottare il guscio sferico

Per dividere la griglia viene utilizzato il metodo esaedro, i supporti dei rulli vengono posizionati sulla superficie cilindrica e sul piano inferiore del foro di montaggio e la pressione viene applicata alla superficie esterna del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico.

Modificare costantemente l'entità della pressione ed eseguire su di essa un'analisi statica strutturale. Dalla simulazione è emerso che quando la pressione applicata sulla superficie esterna raggiunge i 28 MPa, il piezoelettrico

La sollecitazione massima del guscio sferico è 151 MPa e la sua distribuzione delle sollecitazioni è mostrata nella Figura 5 (Per facilitare l'osservazione della sollecitazione interna, il guscio sferico piezoelettrico è tagliato lungo la linea centrale per mostrare

Spettacolo). Va notato che la sollecitazione massima si verifica solo in corrispondenza della linea di confine del raccordo sul foro di montaggio e la sollecitazione massima negli altri punti restanti è inferiore a questa

Lo stress sicuro consentito del materiale piezoelettrico è 91,9 MPa, quindi la pressione massima consentita del guscio sferico piezoelettrico può raggiungere 28 MPa secondo la simulazione. E la radice

Secondo la formula (6), la pressione massima consentita del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico può essere ottenuta pari a 36,8 MPa. Si può notare che la resistenza alla compressione del guscio sferico dopo la perforazione è inferiore a quella del guscio completo

La forza teorica dell'intero guscio sferico. Nella simulazione, il fenomeno della concentrazione delle sollecitazioni che appare in alcuni punti nel foro di montaggio supera la sollecitazione consentita per la sicurezza e resta da verificare tramite il test di pressione se influisce sulla resistenza alla pressione del guscio sferico piezoelettrico.

 

3.2.2 Simulazione di instabilità agli autovalori

La simulazione dell'instabilità agli autovalori può ottenere le modalità di instabilità delle strutture a guscio sottile e le corrispondenti pressioni critiche di instabilità. Una pressione di 1 MPa è stata applicata alla superficie esterna del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico ed è stata eseguita l'analisi di instabilità degli autovalori. I risultati della simulazione mostrano che la modalità di buckling del primo ordine è mostrata nella Figura 6 e il numero d'onda del primo ordine n = 4, che è coerente con le caratteristiche di instabilità del guscio sferico. Il fattore di carico di punta del primo ordine è 3379, quindi il suo carico critico del primo ordine è 3379 MPa. Poiché il primo ordine è il valore più basso del carico di punta, ciò significa che la struttura del guscio sferico piezoelettrico non sarà stabile finché la pressione teorica non raggiunge 3379 MPa. Secondo la formula (7), la pressione critica di instabilità circonferenziale del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico può essere ottenuta pari a 2970 MPa, il che è sostanzialmente coerente con i risultati della simulazione. I risultati della simulazione agli elementi finiti mostrano che la pressione massima consentita del trasduttore piezoelettrico a guscio sferico è 28 MPa e la sua pressione critica di punta è 3379 MPa, il che indica che quando la pressione esterna continua ad aumentare, il guscio piezoelettrico sferico cambia. La prima occorrenza del dispositivo energetico è la rottura della resistenza, il che dimostra anche che la sua profondità di tensione di resistenza sicura è 2800 m.

 

4 Sviluppo e test prestazionali dell'idrofono a pressione sferica

4.1 Sviluppo di un idrofono sferico resistente alla pressione

In questo articolo, un air-backed polarizzato radialmente come sensore di ricezione acustica viene utilizzato un trasduttore piezoelettrico a guscio sferico e viene progettato e fabbricato un idrofono sferico resistente alla pressione. Il raggio esterno del guscio sferico piezoelettrico utilizzato nell'idrofono sferico resistente alla pressione è di 15 mm, lo spessore del guscio sferico è di 3 mm e il materiale ceramico piezoelettrico utilizzato per il guscio sferico è P-51. L'interno del guscio sferico piezoelettrico è una cavità e lo strato più esterno è ricoperto da uno strato di gomma permeabile al suono per isolare, sigillare e proteggere. Lo spessore della gomma fonopermeabile è di 3 mm. L'oggetto fisico di un idrofono sferico resistente alla pressione. Il diametro dell'intero idrofono è di 36 mm.

 

 

4.2 Test prestazionale dell'idrofono a pressione sferica

 

4.2.1 Test di sensibilità in ricezione

L'idrofono sferico resistente alla pressione finito viene posizionato in un tubo a onde stazionarie e la sua sensibilità di ricezione a circuito aperto a bassa frequenza viene testata mediante il metodo di confronto. Resistente alla palla

L'idrofono a pressione e l'idrofono standard vengono appesi contemporaneamente alla stessa altezza nel tubo a onde stazionarie, modificando la frequenza di emissione della sorgente sonora del tubo a onde stazionarie e registrandoli entrambi contemporaneamente

Attraverso il metodo di confronto, la sensibilità di ricezione del un idrofono sferico resistente alla pressione . si ottiene Il tubo a onde stazionarie utilizzato può produrre solo una combinazione di 50 1000 Hz

Onda stazionaria della griglia, quindi la banda di frequenza di misurazione questa volta è 50 1000 Hz. I risultati misurati della curva di sensibilità dell'idrofono sferico resistente alla pressione sono mostrati nella Figura 8. di

Il risultato del test mostra che la sensibilità dell'idrofono sferico resistente alla pressione nella banda di frequenza 50 1000 Hz è di circa 198,4 dB, che sostanzialmente corrisponde al valore teorico. In

Nell'intervallo da 50 a 1000 Hz, la fluttuazione della sensibilità non supera 0,5 dB. Il tubo a onde stazionarie può essere calibrato solo al di sotto di 1 kHz. Per la banda di frequenza da 1 kHz a 10 kHz la misurazione viene effettuata in una vasca anecoica. Posizionare l'idrofono sferico resistente alla pressione finito e l'idrofono standard nella stessa posizione del serbatoio anecoico, utilizzare la sorgente sonora per riprodurre segnali a frequenza singola di frequenze diverse e utilizzare il metodo di confronto per completare la misurazione della sensibilità di ricezione. I risultati misurati della curva di sensibilità dell'idrofono sferico resistente alla pressione a 1 kHz e 10 kHz sono mostrati nella Fig. 9. Dai risultati del test si può vedere che la sensibilità dell'idrofono sferico resistente alla pressione nella banda di frequenza di 1 kHz e 10 kHz è di circa 198 dB, che sostanzialmente corrisponde al valore teorico. Nell'intervallo da 1 kHz a 10 kHz, la fluttuazione della sensibilità non supera 1,4 dB.

 

4.2.2 Test di auto-rumore

 

Per garantire che l'idrofono possa captare segnali sonori deboli, è necessario che l'idrofono abbia un rumore proprio equivalente inferiore. Idrofono a pressione sferica

Viene posizionato in un serbatoio sottovuoto con schermatura elettromagnetica, smorzamento e riduzione delle vibrazioni e il test del rumore automatico viene eseguito sulla scheda di acquisizione del segnale BK-3050 con un rumore estremamente basso.

Lo spettro di rumore autonomo equivalente dell'idrofono sferico resistente alla pressione è mostrato nella linea continua rossa nella Figura 10. La linea tratteggiata nera nella Figura 10 è la prima ricerca sul rumore oceanico. Il livello dello spettro del rumore di fondo dell'oceano allo stato del mare a livello 0 riassunto da Kundson [9]. Secondo la curva di Kundson, il rumore di fondo dell'oceano in stato del mare pari a 0. Il livello dello spettro sonoro è di circa 44 dB a 1 kHz. Va notato che questi dati sono il risultato di una ricerca del 1948. Negli ultimi anni, come il trasporto marittimo globale

Con il rapido sviluppo, il rumore di fondo dell’oceano aumenta di anno in anno. La linea tratteggiata blu nella Figura 10 è il livello dello spettro del rumore di fondo del Mar Cinese Meridionale nel 2013 alla linea delle condizioni del mare di livello 0, si può vedere che il livello equivalente dello spettro del rumore autonomo dell'idrofono sferico resistente alla pressione è inferiore o uguale al livello del mare 0 nell'intervallo di 10 1500 Hz. Il rumore della scena è leggermente superiore al livello 0 del rumore di fondo dell'oceano nello stato del mare nell'intervallo di 1500 5000 Hz. Il suo spettro di rumore autonomo equivalente a 1000 Hz. Il livello è 46,5 dB.

 

4.2.3 Resistere al test di prestazione della tensione

Per verificare la capacità di resistenza alla pressione del idrofono sferico resistente alla pressione , un campione dell'idrofono sferico resistente alla pressione è stato messo in un'autoclave per un test di pressione. Per garantire la sicurezza, il sistema di prova è pressurizzato con acqua ad alta pressione. Secondo l'analisi precedente, la sua capacità di resistenza alla pressione sicura è di 28 MPa, ovvero inferiore a 1,5 volte il fattore di sicurezza

Il risultato ottenuto, cioè la sua capacità di pressione massima teorica, è di 42 MPa. Per bilanciare sicurezza e facilità d'uso, ecco arrotondato

30 MPa per il test. Durante il test, pressurizzare prima a 30 MPa, mantenere la pressione per 3 ore, rilasciare la pressione e controllare l'idrofono; quindi pressurizzare nuovamente a 30 MPa e ripetere il test 3 volte. Non si è verificata alcuna caduta di pressione significativa durante l'intero processo di pressurizzazione. Dopo ogni pressurizzazione controllare l'idrofono da testare. L'aspetto non è danneggiato. La pesatura è coerente prima e dopo il test. Successivamente la sensibilità viene nuovamente testata nel tubo a onde stazionarie. Il risultato del test mostra che la sensibilità è sostanzialmente la stessa della sensibilità prima della pressurizzazione. Ciò dimostra che può resistere a una pressione dell'acqua di 3000 m.

 

5 Conclusione

In questo articolo viene utilizzata una combinazione di formula teorica e simulazione agli elementi finiti, la struttura e il materiale del guscio sferico piezoelettrico hanno la capacità di resistenza alla pressione e il trasduttore piezoelettrico a guscio sferico con supporto d'aria polarizzato radialmente viene utilizzato come elemento sensibile di ricezione acustica. E ha realizzato un idrofono sferico resistente alla pressione. Il diametro dell'idrofono sferico resistente alla pressione è di 36 mm, la banda di frequenza di lavoro è di 50 Hz 10 kHz, la sensibilità alle basse frequenze è di 198,4 dB, il livello equivalente dello spettro del rumore proprio è di 46,5 dB a 1 kHz e la profondità di lavoro è di 3000 m. Lo schema del guscio sferico piezoelettrico con supporto ad aria utilizzato in questo documento ha ottenuto una certa capacità di resistenza alla pressione in condizioni di elevata sensibilità. Se la profondità della resistenza alla pressione deve essere continuamente migliorata, la sensibilità deve essere persa a caro prezzo. Questa soluzione può raggiungere una resistenza alla pressione relativamente limitata. Se l'idrofono necessita di una maggiore resistenza alla pressione (come ad esempio la profondità del mare), è meglio scegliere una soluzione a riempimento d'olio o a tracimazione.