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ハイドロフォンの形状は標準的です 球形音響トランスデューサ。ハイドロフォンの球殻は上半球と下半球で構成されています。 2 つの半球の外半径は 36 mm、下半球の壁の厚さは 3 mm、上半球の壁の厚さは 4 mm です。中央の軸方向のシールにはゴム製の O リングが使用されます。シェルの非耐圧部分の品質を最小限に抑えるため、国家規格よりも薄い米国規格のOリングを選択し、Oリング取り付け溝の幅を狭くしています。上下半球を球殻のねじ部で締結するため、締結ボルトの取り付け位置を大きくする必要がなく、また球殻の非耐圧部分を最小限に抑えることができます。上下の半球をネジで締結するため、締め付け時の両半球の並び位置がランダムになります。したがって、4 つのスプリング吊り下げ穴が、2 つの半球シェルに対称的に配置される 2 つの代わりに、球形シェルの外面の中心に均等に配置されます。ループスプリング吊り下げ穴。下半球を少し大きくし、上半球を少し小さくして、中央のバネの吊り下げ穴がすべて下半球に配置されるようにします。振動ピックアップ センサーには 3 軸圧電加速度センサーが使用されています。加速度計はブラケットを介して球殻の中心に取り付けられ、信号調整回路はブラケットの反対側に取り付けられます。この「中心」は下半球のシェルにもあるため、2 つの半球が締め付けられたとき、上半球と下半球の間の角度がどのようなものであっても、加速度計とサスペンション穴の方向の位置合わせに影響を与えないことに注意してください。組み立てが完了すると、ベクトル水中聴音器全体の重心が球殻の中心と一致するはずです。 水中に音響トランスデューサを設置してください。 可能な限り図 1 のハイドロフォンの重心の位置は 3D モデリング ソフトウェアによって自動的に計算され、ベクトル ハイドロフォンの幾何学的中心に位置します。の弱点は、Oリング溝と球殻の接続部とピアシング部の開口部です。 設計された耐圧球殻Oリング溝と球殻との接続部には、大きなフィレットを追加して滑らかに移行し、応力集中を軽減します。ピアッシング部の開口部では、穴壁の厚さを厚くして穴壁の強度を高める一方、穴壁と球殻内面との移行部、および穴壁と球殻外面との移行部に大きな角丸を追加し、材質を増やすことで移行を滑らかにし、応力集中を軽減します。上半球シェルの開口による強度低下の問題を補うため、上半球シェル全体の厚みを1mm増加させた。また、倉庫内の配線に使用している耐圧鋼製ボルトはソリッドボルトと同等の高強度を有し、ねじ穴をサポートします。
4.5 ベクトル水中聴音器の耐圧シェルの性能シミュレーション
図 1 から、ベクトル水中聴音器の設計された耐圧球殻は、もはや理想的な球殻ではないことがわかります。耐圧性能に最も大きな影響を与えるのは、上半球に大きなネジ穴が開くことです。穴の影響で上半球の厚みが1mm増加しました。これらの変化は理論的に計算されたものではありません。以下では、有限要素解析の手法を用いて、ベクトル水中聴音器球殻の三次元モデルに対して構造静的シミュレーションと固有値座屈シミュレーションを実行し、設計したベクトル水中聴音器が30MPaの外圧に耐えられるかどうかを検証します。使用した有限要素シミュレーション ソフトウェアは ANSYS Workbench です。
4.5.1 構造静的シミュレーション
の 3 次元デジタル モデルをインポートします。 有限要素シミュレーション ソフトウェアにベクトル ハイドロフォン球状 シェルを入力し、シェルの材質を 7075T6 アルミニウム合金に設定し、上部シェルとプラグの間、および上部シェルと下部シェルの間の接触モードをバインド モードに設定します。モデルのメッシュ化には六面体法が使用され、メッシュ サイズは曲げ関数に設定され、最大サイズは 0.8 mm に設定されます。プラグの上面では、x、y、z 方向の変位が 0 に設定され、モデルの平行移動が制限されます。プラグの外側円筒面に円筒面拘束を設定し、接線方向を固定してモデルの回転と回転を制限します。アキシャルおよびラジアルフリー。ハイドロフォンシェルのすべての外面（O リング溝の内面を含む）に 30 MPa の圧力荷重を加え、構造静的解析を実行します。シミュレーションにより得られたハイドロフォンシェルの応力強度分布を図2に示します。応力強度は第3強度理論に基づく等価応力であり、結果がより安全であり、圧力容器の解析に適しているため、解析に選択されています。
ハイドロホンシェルの中央にある O リング溝 (補強リブリングと考えることができます) によって生じる環状の膨らみの応力強度は小さいです。水中聴音器シェルの上部および下部半球シェルの中央部分の応力強度シミュレーション値が最も小さく、その値は 202.7 MPa 未満です。ここには不連続性と応力集中は含まれていません。式 (6) によると、薄壁球形シェルの一次全体膜応力 (つまり、最大主応力) の理論によると、一次全体膜応力強度と見なすことができます。計算値は 187.8 です。 MPa、これは基本的にシミュレーション結果と一致します。上下の球殻内面の大部分の応力強度は比較的大きく、その値は 243.2 MPa 未満です。この時の応力は一次曲げ応力に属し、許容応力の1.5倍未満の制限を満たします。下半球シェルと中央の環状突起の接合部には環状の大きな応力領域があり、応力強度は約324.2MPa、ここでの応力は一次応力と二次応力を加算したものであり、その値は許容応力の3倍未満であり、設計要件を満たしている。上部半球シェルの頂部とプラグが接触する箇所と、Oリング溝の数箇所に局所的な応力集中が生じています。最大応力は 405.2 MPa で、これは一次応力と二次応力とピーク応力を加えたものになります。この応力は影響を与えません。強度破壊の影響は、主に耐圧シェルの疲労破壊に影響します。したがって、ベクトル水中聴音器の球殻は、30 MPa の外圧に対しても強度的に問題なく耐えることができます。
4.5.2 固有値座屈シミュレーション
次に、水中聴音器球殻モデルの外表面にかかる圧力荷重を1MPaに変更し、構造静的解析結果に基づいて固有値座屈解析を実行します。ハイドロホンの球殻の一次座屈モードの全体的な変形を図 3 に示します。
図 3 から、球殻が薄くなるほど安定性が悪化するため、変形は主に下半球で発生することがわかります。一次座屈荷重係数は 680.35 であるため、ハイドロホン球殻の不安定限界圧力のシミュレーション値は 680.35 MPa となり、公式で計算される円周方向不安定限界圧力 611.6 MPa よりも若干高くなります。したがって、ベクトル水中聴音器の球殻は安定性を損なうことなく 30 MPa の外圧に耐えることができます。
4.6 ベクトル水中聴音器の製造
の上部と下部の半球シェル ベクトルハイドロフォンセンサー はCNC工作機械によって加工されます。材質は7075-T6アルミニウム合金で、表面に陽極酸化処理を施し緻密な酸化保護膜を形成し、表面硬度を向上させ海水腐食を抑制します。完成した共振動球形ベクトル水中聴音器を図 4 に示します。実測後の質量は 274.7 g、密度は 1.40 × 103 kg/m3 でした。ベクトル水中聴音器の外半径は Ro = 36 mm であり、式 (4) に代入すると、この水中聴音器のサイズはその動作周波数 fmax = 2653 Hz の上限をサポートします。使いやすくするために、動作周波数の上限を 3000 Hz に丸めます。このとき、kRo=0.45239、密度比0r / r =1.40、式(1)および(2)に式(1)および(2)を代入すると、v/v0=0.77が得られ、最大位相差はわずか0.15 °であり、アプリケーション要件を満たします。
5 ベクトルハイドロホン性能テスト
設計・製造した共振動球面ベクトルハイドロフォンの音響性能と耐圧性が要件を満たしているかを確認するために、ハイドロフォンのサンプルを定在波管に入れて感度試験と指向性試験を行い、オートクレーブ内で静圧試験を行います。
5.1 感度テスト
共振に使用される3軸圧電加速度計の感度 水中ベクトルハイドロフォンはMa=2500 mV/gです。 この記事のベクトル水中聴音器の振動速度感度は、一般に等価自由音場音圧感度 Mp で表されます。 MpとMaの間には以下の変換関係があります。ハイドロフォンの平均密度の実測値を式(3)に代入すると、次のようになります。 v/v0|=0.7895、この値を式(16)に代入すると、図5の黒の実線に示すように、ベクトルハイドロホンの理論等価音圧感度と音波周波数の関係が得られます。500Hzでは、ベクトルハイドロホンのベクトルチャネルの理論感度は-187.4dB(1V/μPaに対して0dB、ハイドロホン内蔵の増幅率を除く)となります。プリアンプ)、感度がオクターブあたり 6 dB 増加します。ベクトル水中聴音器の振動速度感度は、比較方法を使用して定在波管内でテストされ、定在波管の有効周波数帯域は100〜1000 Hzです。共振動球形ベクトル水中聴音器の各チャンネルの感度の測定結果を図5に赤い星印で示します。 3 つのベクトル チャネルの感度の測定曲線は、理論上の曲線と基本的に一致していることがわかります。 500 Hz での X、Y、Z チャネルの感度は、それぞれ -188.9、-188.1、および -187.6 dB です。測定周波数帯域内の各ベクトルチャネルの感度一貫性誤差は 1.2 dB を超えません。最小二乗法を使用して 3 つのチャネルの感度曲線に適合する傾きを見つけます。3 つのチャネルの感度データと対応する傾きの間の最大差は 0.8 dB 未満です。つまり、水中聴音器の感度レベルの不安定性は 0.8 dB 未満です。感度はオクターブごとに 6 dB 増加します。これは理論的な傾向と一致しています。
5.2 指向性試験
共振動する球面ベクトル水中聴音器の 3 つのベクトル チャネルは、理論的には周波数に依存しないコサイン指向性を持つはずです。回転法は、定在波管内で共振動する球面ベクトル水中聴音器の指向性を測定するために使用され、回転試験の角度間隔は 0.4°です。 100、500、1000 Hz での X、Y、Z チャネルの指向性がそれぞれテストされました。結果は、X、Y、Z チャネルが 3 つの周波数ポイントで良好なコサイン指向性を持っていることを示しています。 500 Hz における X、Y、Z チャネルの指向性曲線を図 6 に示します。X チャネル指向性曲線の最小ピット深さは 34.1 dB、Y チャネル指向性曲線の最小ピット深さは 29.8 dB であることがわかります。チャネル指向性曲線の最小ピット深さは 38.9 dB です。ベクトル水中聴音器が凹点にあるときに測定対象のチャネル上の音波によって生成される信号は非常に小さいため、テストシステムの動作中に回転系は停止せず、回転系の機械振動や騒音がサスペンションスプリングを介してベクトルに直接伝達されます。ハイドロフォンでは、測定対象のチャネルで生成される信号が音響信号よりもはるかに大きいことが多いため、測定によって得られるピットの深さは実際の値よりもはるかに浅くなります。それでも、3 つのベクトル チャネルの最小ピット深さは 29.8 dB に達し、アプリケーション要件を満たすことができます。
5.3 耐電圧試験
共振動球型ハイドロホンの静圧試験をオートクレーブ内で実施した。 GB 150.1 によれば、外部圧力容器の水圧試験では、設計圧力の 1.25 倍を試験圧力として採用する必要があります。ベクトルハイドロホンの設計圧力は 30 MPa であるため、耐圧試験の最大圧力は 37.5 MPa に設定されます。テスト中、水中グライダーのプロファイルに沿ったハイドロホングライドの圧力モードがシミュレートされました。まず、３７．５ＭＰａまで一定速度で昇圧し、３０分保持した後、徐々に圧力を開放し、再び３７．５ＭＰａまで一定速度で昇圧するサイクルを５回繰り返した。加圧プロセス全体を通じて、オートクレーブ内の突然の圧力低下はありませんでした。圧縮前後の 2 つのハイドロホン サンプルの外観は損傷しておらず、重量も同じでした。次に、ハイドロフォンの音響性能が定在波管内で再テストされました。テストの結果、ハイドロフォンは抑制後も正常に動作し、その感度と指向性は抑制前と基本的に同じであることがわかりました。共振動球型ベクトルハイドロフォンは37.5MPaの水圧に耐えられることが証明されています。
6 結論
大深度ベクトル水中聴音器の耐圧性と音響性能の要件に従って,本論文は,工学的実現のための重要な理論的指針となる重要な共振動球面ベクトル水中聴音器の最小平均密度圧力球殻の設計法を提案した。典型的な深海工学材料を分析および計算し、ベクトル水中聴音器の耐圧シェルの材料として 7075T6 アルミニウム合金を選択しました。理論計算と有限要素シミュレーションを通じて、最小平均密度耐圧球殻設計法を採用し、殻の強度と安定性を決定しました。深さの大きい共振動ベクトル水中聴音器の設計と実装は、37.5 MPaの水圧試験に合格しました。ベクトル水中聴音器の外形寸法は、最大 3000 Hz の動作周波数の上限をサポートし、感度は 500 Hz で -188 dB、3 つのチャネルの感度一貫性誤差は 1.2 dB 未満、感度の変動はすべて 0.8 dB 未満です。 3 つのチャンネルの指向性は理想的な 8 の字です。機械的回転音の場合、凹点の深さも29.8dBより高くなります。
