Reka Bentuk Optimum Cangkang Sfera Hidrofon Vektor Getaran Bersama(2)

Bentuk hidrofon adalah standard transduser akustik bentuk sfera . Cangkang sfera hidrofon terdiri daripada hemisfera atas dan bawah. Jejari luar dua hemisfera ialah 36 mm, ketebalan dinding hemisfera bawah ialah 3 mm, dan ketebalan dinding hemisfera atas ialah 4 mm. Cincin O getah digunakan untuk pengedap paksi di tengah. Untuk meminimumkan kualiti bahagian cengkerang yang tidak menanggung tekanan, cincin O standard Amerika yang lebih nipis daripada standard kebangsaan dipilih untuk mengurangkan lebar alur pemasangan cincin-O. Hemisfera atas dan bawah diikat oleh benang pada cangkang sfera, supaya tidak perlu meningkatkan kedudukan pemasangan bolt pengikat, dan juga untuk menjadikan bahagian cangkang yang tidak menanggung tekanan sekecil mungkin. Oleh kerana hemisfera atas dan bawah diikat dengan benang, kedudukan penjajaran kedua-dua hemisfera adalah rawak apabila mengetatkan. Oleh itu, 4 lubang ampaian spring diagihkan sama rata di tengah permukaan luar cengkerang sfera dan bukannya dua teragih simetri pada dua cengkerang hemisfera. Gelung lubang penggantungan spring. Jadikan hemisfera bawah sedikit lebih besar dan hemisfera atas lebih kecil sedikit, supaya semua lubang ampaian spring di tengah terletak pada hemisfera bawah. Penderia pikap getaran menggunakan pecutan piezoelektrik tiga paksi. Accelerometer dipasang di tengah cangkerang sfera melalui kurungan, dan litar penyaman isyarat dipasang pada sisi lain kurungan. Ambil perhatian bahawa 'pusat' ini juga terletak di cangkerang hemisfera bawah, supaya apabila kedua-dua hemisfera diketatkan, tidak kira apa sudut antara hemisfera atas dan bawah, ia tidak akan menjejaskan penjajaran pecutan dengan arah lubang ampaian. Selepas pemasangan selesai, pusat graviti seluruh hidrofon vektor harus bertepatan dengan pusat cangkerang sfera transduser akustik bawah air sebanyak mungkin. Kedudukan pusat graviti hidrofon dalam Rajah 1 dikira secara automatik oleh perisian pemodelan 3D, dan ia terletak di pusat geometri hidrofon vektor. Kawasan lemah cengkerang sfera tahan tekanan yang direka bentuk ialah sambungan antara alur cincin-O dan cangkang sfera dan pembukaan bahagian yang menindik. Untuk sambungan antara alur O-ring dan cangkerang sfera, tambahkan fillet besar untuk menjadikan peralihan lancar untuk mengurangkan kepekatan tegasan. Untuk pembukaan bahagian yang menindik, dalam satu tangan, tingkatkan ketebalan dinding lubang untuk meningkatkan kekuatan dinding lubang, sebaliknya, tambahkan sudut bulat yang besar pada peralihan antara dinding lubang dan permukaan dalaman cangkerang sfera, dan pada peralihan antara dinding lubang dan permukaan luar cangkerang sfera Meningkatkan bahan dan mengurangkan kepekatan peralihan. Untuk mengimbangi masalah pengurangan kekuatan yang disebabkan oleh pembukaan cangkerang hemisfera atas, ketebalan cangkerang hemisfera atas telah meningkat sebanyak 1 mm secara keseluruhan. Di samping itu, bolt keluli tahan tekanan yang digunakan untuk penghalaan melalui gudang mempunyai kekuatan yang lebih tinggi, setara dengan bolt pepejal, dan menyokong lubang berulir.

 

4.5 Simulasi prestasi cengkerang tahan tekanan hidrofon vektor

Ia boleh dilihat daripada Rajah 1 bahawa cangkerang sfera tahan tekanan yang direka bentuk bagi hidrofon vektor bukan lagi cangkang sfera yang ideal. Kesan terbesar pada prestasi tahan tekanan ialah pembukaan lubang berulir yang lebih besar di hemisfera atas. Pengaruh lubang telah meningkatkan ketebalan hemisfera atas sebanyak 1 mm. Perubahan ini tidak dikira secara teori. Yang berikut menggunakan kaedah analisis unsur terhingga untuk melakukan simulasi statik struktur dan simulasi lengkokan nilai eigen pada model tiga dimensi cangkerang sfera hidrofon vektor untuk mengesahkan sama ada hidrofon vektor yang direka boleh menahan tekanan luaran 30 MPa. Perisian simulasi elemen terhingga yang digunakan ialah ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Simulasi statik struktur

Import model digital tiga dimensi bagi shell sfera hidrofon vektor ke dalam perisian simulasi unsur terhingga, tetapkan bahan cangkerang kepada aloi aluminium 7075T6, dan tetapkan mod sesentuh antara cangkerang atas dan palam dan antara cangkerang atas dan bawah untuk mengikat mod , Kaedah hexahedron digunakan untuk mesh model, saiz jejaring ditetapkan kepada fungsi lentur, dan saiz maksimum ditetapkan kepada 0.8 mm. Anjakan dalam arah x, y dan z ditetapkan kepada 0 pada permukaan atas palam untuk mengekang terjemahan model; kekangan permukaan silinder ditetapkan pada permukaan silinder luar palam, dan arah tangen ditetapkan untuk mengehadkan putaran dan putaran model. Bebas paksi dan jejari; gunakan beban tekanan 30 MPa pada semua permukaan luar cengkerang hidrofon (termasuk permukaan dalam alur cincin-O), dan lakukan analisis statik struktur padanya. Taburan keamatan tegasan cangkerang hidrofon yang diperoleh melalui simulasi ditunjukkan dalam Rajah 2. Keamatan tegasan dipilih untuk dianalisis kerana ia merupakan tegasan setara berdasarkan teori keamatan ketiga, hasilnya lebih selamat, dan ia sesuai untuk analisis bejana tekanan.

Keamatan tegasan bonjol anulus yang disebabkan oleh alur cincin-O di tengah-tengah cangkerang hidrofon (yang boleh dianggap sebagai cincin rusuk yang mengeras) adalah kecil; nilai simulasi intensiti tegasan bahagian tengah cengkerang hemisfera atas dan bawah cengkerang hidrofon adalah yang paling kecil , Nilainya kurang daripada 202.7 MPa, di sini tidak termasuk ketakselanjaran dan kepekatan tegasan, ia boleh dianggap sebagai keamatan tegasan filem keseluruhan utama, mengikut formula (6), teori tekanan keseluruhan filem utama (iaitu) pengiraan nilai tekanan utama dinding maksimum (iaitu) nilai tekanan maksimum dinding bertekanan nipis. 187.8 MPa, yang pada asasnya konsisten dengan keputusan simulasi. Keamatan tegasan di kebanyakan kawasan permukaan dalaman cangkerang sfera atas dan bawah adalah agak besar, dan nilainya kurang daripada 243.2 MPa. Tegasan pada ketika ini tergolong dalam tegasan lentur utama dan memenuhi had kurang daripada 1.5 kali tegasan yang dibenarkan. Terdapat zon tegasan besar anulus di persimpangan cangkerang hemisfera bawah dan penonjolan anulus pusat, keamatan tegasan adalah kira-kira 324.2 MPa, tegasan di sini adalah tegasan primer ditambah tegasan sekunder, dan nilainya kurang daripada 3 kali tegasan yang dibenarkan, yang memenuhi keperluan reka bentuk. Terdapat kepekatan tegasan tempatan di tempat di mana bahagian atas cangkerang hemisfera atas bersentuhan dengan palam dan beberapa tempat di alur cincin-O. Tegasan maksimum ialah 405.2 MPa, yang tergolong dalam tegasan primer ditambah tegasan sekunder ditambah tegasan puncak. Tekanan ini tidak akan menjejaskan Kesan kegagalan kekuatan terutamanya memberi kesan kepada kegagalan keletihan cangkang tekanan. Oleh itu, cangkerang sfera hidrofon vektor boleh menahan tekanan luaran 30 MPa tanpa kegagalan kekuatan.

 

4.5.2 Simulasi lengkokan nilai eigen

Seterusnya, beban tekanan pada permukaan luar model cengkerang sfera hidrofon ditukar kepada 1 MPa, dan analisis lengkokan nilai eigen dilakukan berdasarkan keputusan analisis statik struktur. Jumlah ubah bentuk mod lekuk tertib pertama bagi cangkerang sfera hidrofon ditunjukkan dalam Rajah 3.

Ia boleh dilihat dari Rajah 3 bahawa ubah bentuk terutamanya berlaku di hemisfera bawah, kerana semakin nipis cangkerang sfera, semakin teruk kestabilan. Faktor beban lengkokan tertib pertama ialah 680.35, jadi nilai simulasi tekanan ketidakstabilan kritikal cengkerang sfera hidrofon ialah 680.35 MPa, yang lebih tinggi sedikit daripada tekanan kritikal ketidakstabilan lilitan yang dikira oleh formula 611.6 MPa. Oleh itu, cangkerang sfera hidrofon vektor boleh menahan tekanan luaran 30 MPa tanpa kegagalan kestabilan.

 

4.6 Penghasilan hidrofon vektor

Cengkerang hemisfera atas dan bawah penderia hidrofon vektor diproses oleh alat mesin CNC. Bahannya ialah aloi aluminium 7075-T6, dan permukaannya dianodkan untuk membentuk filem pelindung oksida padat untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan menghalang kakisan air laut. Hidrofon vektor sfera getaran bersama yang lengkap ditunjukkan dalam Rajah 4. Selepas pengukuran sebenar, jisimnya ialah 274.7 g, dan ketumpatannya ialah 1.40 × 103 kg/m3. Jejari luar hidrofon vektor ialah Ro=36 mm, dan menggantikan persamaan (4), saiz hidrofon ini menyokong had atas frekuensi kerja fmax=2653 Hz. Untuk kemudahan penggunaan, bulatkan had atas frekuensi kerjanya kepada 3000 Hz. Pada masa ini, kRo=0.45239, nisbah ketumpatan 0r / r =1.40, menggantikan persamaan (1) dan (2) ke dalam persamaan (1) dan (2) untuk mendapatkan v/v0=0.77, maksimum Perbezaan fasa hanya 0.15 ° , yang memenuhi keperluan aplikasi.

 

5 Ujian prestasi hidrofon vektor

Untuk menyemak sama ada prestasi akustik dan rintangan tekanan hidrofon vektor sfera getaran bersama yang direka dan dihasilkan memenuhi keperluan, sampel hidrofon diletakkan dalam tiub gelombang berdiri untuk ujian kepekaan dan kearaharah, dan ujian tekanan statik dilakukan dalam autoklaf.

 

5.1 Ujian sensitiviti

Kepekaan pecutan piezoelektrik tiga paksi yang digunakan dalam getaran bersama hidrofon vektor bawah air dalam artikel ini ialah Ma=2500 mV/g. Kepekaan halaju getaran hidrofon vektor secara amnya dinyatakan oleh sensitiviti tekanan bunyi medan bebas yang setara Mp. Terdapat hubungan penukaran berikut antara Mp dan Ma. Menggantikan nilai diukur sebenar ketumpatan purata hidrofon ke dalam persamaan (3) boleh diperolehi | v/v0|=0.7895, menggantikan nilai ini ke dalam persamaan (16), hubungan antara kepekaan tekanan bunyi setara teori bagi hidrofon vektor dan frekuensi gelombang bunyi boleh diperolehi, seperti yang ditunjukkan oleh garis pepejal hitam dalam Rajah 5. Pada 500 Hz, kepekaan teoritis saluran vektor bagi vektor hidrofon d18/B.4 ialah -18 dB. tidak termasuk faktor penguatan prapenguat terbina dalam hidrofon), yang meningkatkan sensitiviti sebanyak 6 dB setiap oktaf. Kepekaan halaju getaran hidrofon vektor diuji dalam tiub gelombang berdiri menggunakan kaedah perbandingan, dan jalur frekuensi berkesan tiub gelombang berdiri ialah 100~1000 Hz. Keputusan yang diukur bagi kepekaan setiap saluran hidrofon vektor sfera getaran bersama ditunjukkan dalam Rajah 5 dengan titik bintang merah. Dapat dilihat bahawa lengkung yang diukur bagi kepekaan ketiga-tiga saluran vektor pada asasnya konsisten dengan lengkung teori. Kepekaan saluran X, Y dan Z pada 500 Hz ialah -188.9, -188.1, dan -187.6 dB, masing-masing. Ralat ketekalan sensitiviti setiap saluran vektor dalam jalur frekuensi pengukuran tidak melebihi 1.2 dB; kaedah persegi terkecil digunakan untuk mencari cerun yang dipasang oleh lengkung kepekaan ketiga-tiga saluran, dan perbezaan maksimum antara data kepekaan ketiga-tiga saluran dan cerun yang sepadan adalah kurang daripada 0.8 dB , Iaitu, ketidakstabilan tahap sensitiviti hidrofon adalah kurang daripada 0.8 dB; sensitiviti meningkat sebanyak 6 dB setiap oktaf, yang konsisten dengan trend teori.

 

5.2 Ujian langsung

 

Tiga saluran vektor hidrofon vektor sfera bergetar bersama secara teorinya harus mempunyai kearah kosinus bebas daripada frekuensi. Kaedah putaran digunakan untuk mengukur kedirectivity hidrofon vektor sfera bergetar bersama dalam tiub gelombang berdiri, dan selang sudut ujian putaran ialah 0.4°. Kearaharah saluran X, Y dan Z pada 100, 500, dan 1000 Hz telah diuji masing-masing. Keputusan menunjukkan bahawa saluran X, Y, dan Z mempunyai kearah kosinus yang baik pada tiga titik frekuensi. Lengkung kearah saluran X, Y, dan Z pada 500 Hz ditunjukkan dalam Rajah 6. Dapat dilihat bahawa kedalaman pit minimum keluk kedirektiviti saluran X ialah 34.1 dB, dan kedalaman pit minimum keluk kedirektiviti saluran Y ialah 29.8 dB. Kedalaman lubang minimum bagi lengkung kearah saluran ialah 38.9 dB. Oleh kerana isyarat yang dihasilkan oleh gelombang bunyi pada saluran yang akan diukur apabila hidrofon vektor berada pada titik cekung adalah sangat kecil, sistem berputar tidak berhenti apabila sistem ujian berfungsi, dan getaran mekanikal dan bunyi sistem berputar dihantar terus ke vektor melalui spring ampaian. Pada hidrofon, isyarat yang dihasilkan pada saluran yang akan diukur selalunya jauh lebih besar daripada isyarat akustik, jadi kedalaman lubang yang diperolehi oleh pengukuran adalah jauh lebih cetek daripada nilai sebenar. Walaupun begitu, kedalaman lubang terkecil dalam tiga saluran vektor mencapai 29.8 dB, yang boleh memenuhi keperluan aplikasi.

 

5.3 Menahan ujian voltan

Ujian tekanan statik hidrofon sfera bergetar bersama telah dijalankan di dalam autoklaf. Menurut GB 150.1, untuk ujian hidraulik kapal tekanan luaran, 1.25 kali tekanan reka bentuk harus diambil sebagai tekanan ujian. Tekanan reka bentuk hidrofon vektor ialah 30 MPa, jadi tekanan maksimum ujian tekanan ditetapkan kepada 37.5 MPa. Semasa ujian, mod tekanan luncuran hidrofon di sepanjang profil luncur bawah air telah disimulasikan. Pertama, tekanan dinaikkan kepada 37.5 MPa pada kelajuan malar, dan tekanan dikekalkan selama setengah jam, kemudian tekanan dilepaskan perlahan-lahan, dan tekanan dinaikkan kepada 37.5 MPa pada kelajuan malar lagi, dan kitaran diulang 5 kali. Tiada penurunan tekanan mendadak dalam autoklaf semasa keseluruhan proses tekanan. Kemunculan dua sampel hidrofon sebelum dan selepas pemampatan tidak rosak, dan beratnya adalah sama. Kemudian prestasi akustik hidrofon diuji semula dalam tiub gelombang berdiri. Keputusan ujian menunjukkan bahawa hidrofon berfungsi seperti biasa selepas penindasan, dan kepekaan dan kearahannya pada asasnya sama seperti sebelum penindasan. Dibuktikan bahawa hidrofon vektor sfera bergetar bersama boleh menahan tekanan air 37.5 MPa.

 

6 Kesimpulan

Selaras dengan keperluan rintangan tekanan dan prestasi akustik hidrofon vektor kedalaman besar, makalah ini mencadangkan kaedah reka bentuk untuk tekanan sfera tekanan ketumpatan purata minimum bagi hidrofon vektor sfera bergetar bersama, yang mempunyai kepentingan panduan teori yang penting untuk merealisasikan kejuruteraan. Menganalisis dan mengira bahan kejuruteraan laut dalam biasa, dan memilih aloi aluminium 7075T6 sebagai bahan untuk cengkerang tahan tekanan hidrofon vektor; mengguna pakai kaedah reka bentuk cengkerang sfera tahan tekanan purata minimum, melalui pengiraan teori dan simulasi elemen terhingga, untuk menentukan kekuatan dan kestabilan cangkerang Reka bentuk dan pelaksanaan hidrofon vektor getaran bersama yang mendalam telah melepasi ujian tekanan air 37.5 MPa; dimensi luaran hidrofon vektor menyokong had atas frekuensi kerjanya sehingga 3000 Hz, dan kepekaan ialah -188 dB@500 Hz, ralat ketekalan sensitiviti ketiga-tiga saluran adalah kurang daripada 1.2 dB, dan turun naik sensitiviti semuanya kurang daripada 0.8 dB. Kearaharah ketiga-tiga saluran adalah angka lapan yang ideal. Dalam kes bunyi putaran mekanikal, titik cekung Kedalaman juga lebih tinggi daripada 29.8 dB.