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の耐圧性を基に、 圧電セラミック 球殻自体を使用した耐圧ハイドロフォンは、音響感応素子として放射状に分極された空気バッキング圧電セラミック球殻トランスデューサーを使用することによって設計および製造されました。まず,低周波開回路,受信感度,振動周波数などの音響特性を解析し,有限要素法によりシミュレーションした。次に、強度や安定性などの耐圧性能が分析され、同様にFEソフトウェアでシミュレーションされました。最後に、音響性能と耐圧性能がテストされました。試験結果によると、耐圧ハイドロフォンの直径は 36 mm、動作周波数範囲は 50 Hz ～ 10 kHz です。低周波圧力感度は 198:4 dB (0 dB ref 1 V/Pa)、ノイズスペクトルレベルは 1 kHz で 46.5 dB、作業深度は 3000 m です。この耐圧ハイドロフォンは、深海ハイドロフォンの設計の基準を提供し、深水音響の分野で重要な応用価値があります。
導入
21世紀に入ってから、深海の研究開発はますます注目を集め、各国間の競争が激化している。耐圧水中聴音器は深海開発に欠かせない設備です。また、各国の軍事技術の急速な発展に伴い、潜水艦、魚雷、水中無人航空機（UUV）、水中グライダー（UUG）、水中ロボット（ROV）、水中ターゲットなどの様々な水中装備品が登場しています。通常、これらの深海装備品は深度が深くなるにつれて、使用深度に応じた耐圧ハイドロホンを装備する必要があります。高い静水圧の影響に耐えるために、耐圧ハイドロホンは通常、圧力リリーフ構造や圧力補償構造、油封入オーバーフロー構造などの特殊な耐圧構造や内部および外部の圧力バランス設計を採用しています。油封入オーバーフロー構造は、理論的には海深全体の静圧に耐えることができ、耐圧ハイドロホンで最も一般的に使用される耐圧構造です。これら 2 つの構造の耐圧ハイドロフォンは、一般に受信トランスデューサとして圧電セラミック チューブを使用します。この圧電セラミック管ハイドロホンは、構造と技術が単純であるという利点だけでなく、低周波開回路電圧感度が低いという利点もあります。欠点。ラジアル分極圧電管には受信感度を向上させるためにスリットが施されていますが、動作周波数帯域も大幅に狭くなり、わずか 10/200 Hz です。圧電セラミック丸管ハイドロフォンの受信周波数帯域がその共振周波数に近い場合、感度は向上しますが、動作周波数帯域が大幅に制限され、感度曲線の平坦性が失われます。圧電丸管トランスデューサに加えて、圧電球殻トランスデューサも音圧ハイドロフォンの受信トランスデューサとして一般的に使用されます。圧電球殻トランスデューサは、構造とプロセスが簡単、高感度、良好な全指向性、動作周波数の帯域幅など、多くの利点があります。さらに重要なことは、材料と構造の特性により、圧電セラミック球殻自体が高い抵抗を持っていることが決まります。オイル充填またはオーバーフロー構造に加えて、これは耐圧ハイドロフォンの設計に別の可能性を提供します。つまり、耐圧ハイドロフォンの受信トランスデューサとしてエアバック圧電球殻を使用することです。
1 音響受信特性 圧電球殻トランスデューサ
低周波受信感度
形状と加工技術の制限により、圧電セラミック球殻は通常、ラジアル分極という 1 つの分極モードのみを持ち、正電極と負電極がそれぞれ球殻の内面と外面にあります。内半径が a、外半径が b の圧電球殻トランスデューサの場合、周波数が固有周波数よりもはるかに低い音圧 p0 を受けると、圧電球殻の内側電極と外側電極の間に電位差 V が発生します。ハイドロフォンの受信感度は一般に自由音場受信感度Meで表されます。 Me は、音場内のハイドロフォンの位置における自由音場音圧に対する、ハイドロフォンの出力における開回路電圧の比として定義されます。そのデシベル形式は自由音場の受信感度です。 。したがって、エアバック圧電球殻の低周波開回路受信電圧感度は高くなります。本稿で使用する材料が圧電材料であると仮定すると、tが一定の場合、bが大きいほど、つまり圧電球殻の外径が大きいほど感度は高くなります。 b が一定で t が 0.36 の場合、感度は最も小さくなり、この点は設計で避ける必要があります。 bが一定でt<0:36の場合、tが小さいほど、つまり圧電球殻が薄いほど感度は高くなります。
1.2 共振周波数
薄い圧電体の場合 球状の水中音響トランスデューサー、空気中でのその共鳴周波数。薄い圧電球殻の共振周波数は、その平均半径 r と材料の密度 s、ヤング率 Y E11 のみであることがわかります。これはポアソン比に関係しており、これは等方性弾性材料の球殻に単純化することに相当します。圧電材料を決めると、球殻の平均半径ｒが大きいほど共振点が高くなり、動作帯域が広くなることがわかります。水中では、圧電球殻トランスデューサの放射インピーダンスが増加するため、その共振周波数は空気中の共振周波数よりわずかに低くなります。圧電球形ハイドロフォンを低周波受信に使用する場合、感度の平坦性を確保するために、その動作周波数は共振周波数から遠く離れています。工学では、一般にその共振周波数が動作上限周波数の少なくとも 5 倍であることが要求されます。
2 圧電球殻振動子の耐圧性能解析
耐圧構造の破壊モードには、主に強度破壊、剛性破壊、安定性破壊、腐食破壊が含まれます。大深度の水中聴音器の場合、それに耐える負荷は主に外部の水圧であり、その故障モードは主に強度の故障と安定性の故障です。圧電球殻トランスデューサの 2 つの故障状況については、以下で説明します。
2.1 強度破壊解析
強度破壊とは、コンテナ内の最大応力が降伏限界を超えた後に不可逆的な変形または破壊が発生し、コンテナの耐荷重能力が失われる現象を指します。強度破損に対応するのが、圧電球殻変換器の最大許容圧力です。回転シェルのモーメントフリー理論によれば、外部圧力 p の作用下で、球状シェルは軸方向引張応力 z とフープ引張応力 z を生成し、これら 2 つの値は等しいです。このうち、D0は球殻径の外側、単位はmmです。は球殻の厚さで、単位はmmです。最大主応力理論によれば、耐圧構造設計を満足する必要があります。その中には許容応力があります。私の国の国家規格 GB 150.3 によると、材料規格の常温降伏強さ Rel の安全係数は ns = 1:5 です。圧電球殻に使用されている圧電セラミックス材料 P-51 の常温降伏強度は Rel = 137:9 MPa であるため、材料の許容応力 [] = Rel/ns = 91:9 MPa となります。パラメータ t を代入すると、圧電球殻トランスデューサの最大許容圧力が求められます。球殻の厚さの外径に対する比率 t が大きいほど、圧電球殻の強度と耐圧性能が強くなることが容易にわかります。
2.2 安定性破壊解析
安定性破壊とは、容器が外部荷重の作用により安定した平衡状態から別の不安定な状態に変化し、形状が突然変化して正常な作動能力を失う現象を指します。安定性の失敗に対応するのは、圧電球殻トランスデューサの臨界不安定許容圧力です。微小変形理論によれば、外力を受けた球殻の臨界不安定圧力 pcr にはこの式の誤差が大きいため、補償するために大きな安全率が使用されることがよくあります。 GB 150.3 によれば、安定性安全率は m = 14:25 とみなされるため、円周方向の不安定性に対する許容臨界圧力 [p] = pcr/m となります。同様にパラメータ t を代入すると、圧電球殻振動子の円周方向の不安定性に対する許容臨界圧力が簡単に分かります。圧電材料を決定する場合、外径に対する球殻の厚さの比率tが大きいほど、圧力が大きくなり、電動ボール殻の安定性と耐圧性が強くなります。
3 有限要素シミュレーション
上記の分析から、圧電球殻の感度と動作周波数は、外径が大きいほど、薄いほど良いことがわかります。耐圧性を考慮すると外径が小さいほど肉厚は厚くなります。それは良いことです。つまり、音響性能と耐圧性能は相反するものとなる。音響性能や耐圧性の要求、球殻加工の難易度やコスト（通常、外径が大きくなるほど肉厚も大きくなり、加工難易度も高くなりコストも高くなります）を考慮し、球殻の外径b＝15mm、肉厚＝3mmと設計しました。球殻に使用される圧電材料は P-51、圧電係数 g33 = 25:6×10 3 V m/N、g31 = 9:6×10 3 V m/N、密度 s = 7600 kg/m3、ヤング率 Y E11 = 6:0 1010 Pa、ポアソン比 = 0:36 です。
3.1 圧電球殻の音響特性のシミュレーション
圧電球殻トランスデューサの音響受信特性の解析の正しさを検証するために、有限要素解析法を用いてモデル化し、シミュレーションし、シミュレーションソフトウェアCOMSOL5.4を使用した。
3.1.1 受信感度シミュレーション
まず、3次元の球殻構造モデルを作成します。モデリング ジオメトリを簡素化し、ソリューションを高速化するために、モデルでは 1/8 の圧電球シェルのみを作成し、3 つの平面対称制約を使用して完全な球シェルを実現します。球面座標で圧電材料の動径分極座標系を作成し、圧電材料 P-51 の材料パラメータを使用します。境界荷重を外面に0.1MPaの圧力、内面に圧力をかけないように設定します。周波数領域解析を行うことで、定常問題として解決されます。図2に周波数500Hz、圧力0.1MPaの圧力を加えたときの圧電球殻の電位分布のシミュレーション結果を示します。
圧電球殻のサイズと材料パラメータを式に代入すると、0.1MPaの低周波音圧が加わったときの理論的な開回路が求められます。
出力電圧は 11.646 V です。図 2 から、圧電球殻に 0.1 MPa@500 Hz の音圧が加わったときの出力電圧のシミュレーション結果は 11.632 V であり、理論値と一致していることがわかります。現時点での感度は 198.7 dB@500 Hz (0 dB = 1 V/Pa) です。
3.1.2 共振周波数シミュレーション
以下でも有限要素シミュレーション法を用いて圧電セラミックス球殻の共振周波数をシミュレーションしており、シミュレーション周波数帯域は１Ｈｚ／２００ｋＨｚである。まず、圧電球殻の材質を等方性弾性体に単純化して周波数掃引解析を行い、その変形の周波数応答曲線を図3に示します。式(3)より、空気中での圧電球殻の共振周波数faは58.557kHzと求められます。図 3 から、共振周波数のシミュレーション値は 58.9 kHz であり、理論値と基本的に一致していることがわかります。なお、式(3)は等方性の薄い球殻の簡易計算であり、圧電球殻材料は等方性ではなく、厚みも比較的厚いため、式(3)を直接適用すると多少の誤差が生じることにご注意ください。圧電セラミックスの完全なパラメータを代入すると、開回路電圧感度の周波数応答曲線が図 4 に示されます。図 4 から、1 Hz ～ 10 kHz の周波数帯域では、圧電球殻の感度曲線が非常に平坦で、感度が 198.7 dB であることがわかります。これは理論的な解析と一致しています。共振周波数は 72.1 kHz となり、式 (3) の計算結果より若干大きくなりますが、工学用途における式の妥当性には影響しません。圧電材料の関連する減衰係数を取得できないため、モデルの柔軟性マトリックス損失係数と圧電マトリックス損失係数は 0 に設定されます。これにより、共振周波数における圧電球殻の感度が 155 dB であるというシミュレーションが行われます。実際には、感度はこの値よりも小さいはずです。
3.2 耐圧性能のシミュレーション 圧電球殻
2.の耐圧理論計算式は、工学的応用の便宜を図るためにまとめた簡略化した式であり、実際の圧電球殻を使用しています。設置上の都合により穴が開けられ、実際の耐圧性能が理論計算結果と一致しない場合があります。圧電球殻トランスデューサの圧力能力をできるだけ正確に求めるために、有限要素解析ソフトウェア Workbench を使用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それぞれ実行しました。
3.2.1 構造静的シミュレーション
構造静的シミュレーションでは、構造物に荷重がかかったときの構造全体の応力分布を取得できます。したがって、既知の材料の最大許容応力は次のようになります。
耐えられる最大許容圧力をシミュレーションできます。球殻の三次元モデルを作成し、球殻モデルに取り付け穴を設定します。球殻を採用
グリッドの分割は六面体方式を採用しており、円筒面と取付穴の下面にローラーサポートを設置し、圧電球殻振動子の外面を加圧します。
圧力の大きさを常に変化させて構造静解析を行います。シミュレーションの結果、外面にかかる圧力が 28 MPa に達すると、圧電素子が
球殻の最大応力は 151 MPa であり、その応力分布を図 5 に示します（内部応力の観察を容易にするため、圧電球殻を中心線に沿って切断して示しています）
見せる）。なお、最大応力は取付穴のフィレット境界線のみに発生し、その他の箇所の最大応力はこれより小さくなります。
圧電材料の安全な許容応力は 91.9 MPa であるため、シミュレーションによれば、圧電球殻の最大許容圧力は 28 MPa に達する可能性があります。そして根は
式(6)より、圧電球殻振動子の最大許容圧力は36.8MPaと求められます。穿孔後の球殻の圧縮強度は完全な球殻の圧縮強度よりも低いことがわかります。
球殻全体の理論上の強度。シミュレーションでは、取付穴の数箇所に現れる応力集中現象が安全許容応力を超えており、圧電球殻の耐圧性に影響を与えるかどうかは耐圧試験で検証する必要がある。
3.2.2 固有値座屈シミュレーション
固有値座屈シミュレーションでは、薄殻構造の座屈モードと、それに対応する臨界座屈圧力を取得できます。圧電球殻振動子の外表面に1MPaの圧力を加え、固有値座屈解析を行った。シミュレーション結果は、一次座屈モードが図 6 に示されており、一次波数 n = 4 であることを示しています。これは球殻の不安定特性と一致しています。一次座屈荷重係数は 3379 であるため、一次臨界荷重は 3379 MPa となります。 1 次は座屈荷重の最低値であるため、理論圧力が 3379 MPa に達するまでは圧電球殻構造が安定しないことを意味します。式 (7) によれば、圧電球殻トランスデューサの円周方向不安定の臨界圧力は 2970 MPa として得られ、これは基本的にシミュレーション結果と一致します。有限要素シミュレーションの結果は、圧電球殻トランスデューサーの最大許容圧力が 28 MPa、臨界座屈圧力が 3379 MPa であることを示しています。これは、外部圧力が増加し続けると圧電球殻が変化することを示しています。エネルギー デバイスの最初の発生は強度破壊であり、その安全な耐電圧深さが 2800 m であることも示しています。
4 球形圧力ハイドロフォンの開発と性能試験
4.1 球形耐圧ハイドロフォンの開発
この論文では、ラジアル偏光エアバック 音響受信センサーとして圧電球殻振動子 を使用し、球形耐圧ハイドロホンを設計・製作した。球形耐圧ハイドロフォンに使用される圧電球殻の外径は１５ｍｍ、球殻の厚さは３ｍｍ、球殻に使用される圧電セラミック材料はＰ－５１である。圧電球殻の内側は空洞になっており、最外層は絶縁、密閉、保護するために通音性ゴムの層で埋められています。通音ゴムの厚みは3mmです。球形の耐圧水中聴音器の物理的オブジェクト。ハイドロフォン全体の直径は36mmです。
4.2 球面圧力ハイドロホンの性能試験
4.2.1 受信感度テスト
完成した球形耐圧ハイドロホンを定在波管内に設置し、低周波開放受信感度を比較法により試験します。耐ボール性
圧力ハイドロフォンと標準ハイドロフォンを同時に定在波管内の同じ高さに吊り下げ、定在波管音源の放射周波数を変化させて両方を同時に録音する
比較方式により、受信感度が 球形の耐圧ハイドロフォン が得られます。使用される定在波管は、50 1000 Hz の組み合わせのみを生成できます。
グリッド定在波なので、今回の測定周波数帯域は50 1000 Hzです。球形耐圧ハイドロフォンの感度曲線の測定結果を図8に示します。
試験結果は、50 1000 Hz の周波数帯域における球形耐圧ハイドロホンの感度が約 198.4 dB であり、理論値と基本的に一致していることを示しています。で
50～1000Hzの範囲では、感度変動は0.5dBを超えません。定在波管は 1 kHz 未満でのみ校正できます。 1 kHz ～ 10 kHz の周波数帯域については、測定は電波暗槽内で行われます。完成した球形耐圧ハイドロホンと標準ハイドロホンを無響水槽の同じ位置に置き、音源を用いて異なる周波数の単一周波数信号を再生し、比較法により受信感度測定が完了します。球形耐圧ハイドロホンの1 kHzと10 kHzにおける感度曲線の測定結果を図9に示します。試験結果から、1 kHzと10 kHzの周波数帯域における球形耐圧ハイドロホンの感度は約198 dBであり、理論値とほぼ一致していることがわかります。 1 kHz ～ 10 kHz の範囲では、感度変動は 1.4 dB を超えません。
4.2.2 セルフノイズテスト
水中聴音器が弱い音声信号を確実に拾えるようにするために、水中聴音器はより低い等価自己雑音を有することが要求される。球面圧力ハイドロフォン
電磁シールド、制振、振動低減を施した真空タンク内に設置し、極めて低ノイズの信号収集カードBK-3050で自己ノイズテストを実施。
球形耐圧ハイドロホンの等価自己雑音スペクトルを図 10 の赤い実線で示します。図 10 の黒い点線は、海洋騒音に関する最も初期の研究です。Kundson によって要約された 0 レベルの海洋状態の海洋背景騒音スペクトル レベルです [9]。 Kundson 曲線によると、海洋状態 0 の海洋背景騒音は、音響スペクトル レベルは約 44 dB@1 kHz です。なお、このデータは1948年の調査結果です。
急速な発展に伴い、海洋の背景騒音は年々増加しています。図 10 の青い点線は、レベル 0 の海況線における 2013 年の南シナ海の背景雑音スペクトル レベルです。球形耐圧水中聴音器の等価自己雑音スペクトル レベルは、10 1500 Hz の範囲でレベル 0 の海況以下であることがわかります。シーンの騒音は、1500 Hz の範囲でレベル 0 の海況の海洋背景雑音よりわずかに高くなります。 5000Hz。 1000 Hz における等価自己雑音スペクトル。レベルは 46.5 dB です。
4.2.3 耐電圧性能試験
耐圧性能を確認するため、 球形耐圧ハイドロホンのサンプルをオートクレーブに入れて圧力試験を行いました。安全性を確保するため、試験システムは高圧水で加圧されています。前回の解析によれば、安全耐圧性能は28MPaであり、安全率の1.5倍以下である。
得られた結果、つまり理論上の到達圧力能力は 42 MPa です。安全性と使いやすさのバランスをとるために、ここでは次のように丸めます。
試験用は30MPa。試験中は、最初に 30 MPa まで加圧し、その圧力を 3 時間保持し、圧力を解放してハイドロホンをチェックします。その後、再度30MPaまで加圧し、試験を3回繰り返します。加圧プロセス全体で重大な圧力降下は発生しませんでした。加圧するたびに、テストするハイドロフォンをチェックします。外観は損なわれていません。重量はテストの前後で一貫しています。その後、定在波管内で再度感度をテストします。テストの結果、感度は加圧前とほぼ同じであることがわかりました。これにより3000mの水圧に耐えられることが証明されています。
5 結論
本論文では、理論式と有限要素シミュレーションを組み合わせて使用し、圧電球殻構造と材料が耐圧性能を有し、ラジアル分極エアバック圧電球殻トランスデューサを音響受信感応素子として使用する。そして球形の耐圧ハイドロホンを作りました。球形耐圧ハイドロフォンの直径は36 mm、動作周波数帯域は50 Hz～10 kHz、低周波感度は198.4 dB、等価自己雑音スペクトルレベルは46.5 dB@1 kHz、動作深度は3000 mです。本論文で用いたエアバック圧電球殻方式は高感度条件下で一定の耐圧容量を得ることができた。耐圧深さを継続的に向上させようとすると、代償として感度を失わなければなりません。このソリューションでは、比較的限られた耐圧性しか実現できません。水中聴音器の耐圧性を高める必要がある場合 (海深いっぱいなど)、オイル充填またはオーバーフローのソリューションを選択することをお勧めします。
