Optimaal ontwerp van de bolvormige schaal van co-vibratie vectorhydrofoon(2)

De vorm van de hydrofoon is een standaard bolvormige akoestische transducer . De bolvormige schaal van de hydrofoon bestaat uit bovenste en onderste hemisferen. De buitenradius van de twee hemisferen is 36 mm, de wanddikte van het onderste halfrond is 3 mm en de wanddikte van het bovenste halfrond is 4 mm. Voor de axiale afdichting in het midden wordt een rubberen O-ring gebruikt. Om de kwaliteit van het niet-drukdragende deel van de schaal te minimaliseren, wordt een Amerikaanse standaard O-ring gekozen die dunner is dan de nationale norm om de breedte van de installatiegroef van de O-ring te verkleinen. De bovenste en onderste halve bollen worden bevestigd door de schroefdraad op de bolvormige schaal, zodat het niet nodig is de installatiepositie van de bevestigingsbouten te vergroten, en ook om het niet-drukdragende deel van de schaal zo klein mogelijk te maken. Omdat de bovenste en onderste hemisferen met schroefdraad zijn vastgezet, is de uitlijningspositie van de twee hemisferen willekeurig bij het vastdraaien. Daarom zijn er vier veerophangingsgaten gelijkmatig verdeeld in het midden van het buitenoppervlak van de bolvormige schaal, in plaats van twee symmetrisch verdeeld over de twee halfbolvormige schalen. Ophanggat met lusveer. Maak het onderste halfrond iets groter en het bovenste halfrond iets kleiner, zodat alle veerophangingsgaten in het midden zich op het onderste halfrond bevinden. De trillingssensor maakt gebruik van een piëzo-elektrische versnellingsmeter met drie assen. De versnellingsmeter wordt via een beugel in het midden van de bolvormige schaal geïnstalleerd en het signaalconditioneringscircuit wordt aan de andere kant van de beugel geïnstalleerd. Merk op dat dit 'centrum' zich ook in de onderste halve bol bevindt, zodat wanneer de twee halve bollen worden vastgedraaid, ongeacht de hoek tussen de bovenste en onderste halve bollen, dit geen invloed heeft op de uitlijning van de versnellingsmeter met de richting van het ophanggat. Nadat de montage is voltooid, moet het zwaartepunt van de gehele vectorhydrofoon samenvallen met het midden van de bolvormige schaal onderwater akoestische transducer zoveel mogelijk. De positie van het zwaartepunt van de hydrofoon in figuur 1 wordt automatisch berekend door de 3D-modelleringssoftware en bevindt zich in het geometrische middelpunt van de vectorhydrofoon. Het zwakke gebied van de ontworpen drukbestendige bolvormige schaal is de verbinding tussen de O-ringgroef en de bolvormige schaal en de opening van het doorsteekdeel. Voeg voor de verbinding tussen de O-ringgroef en de bolvormige schaal een grote hoek toe om de overgang soepel te maken en de spanningsconcentratie te verminderen. Voor het openen van het doorborende deel vergroot u enerzijds de dikte van de gatwand om de sterkte van de gatwand te vergroten, en anderzijds voegt u grote ronde hoeken toe bij de overgang tussen de gatwand en het binnenoppervlak van de bolvormige schaal, en bij de overgang tussen de gatwand en het buitenoppervlak van de bolvormige schaal. Verhoog het materiaal om de overgang glad te strijken en de spanningsconcentratie te verminderen. Om het probleem van de sterktevermindering, veroorzaakt door de opening van de bovenste halfbolvormige schaal, te compenseren, werd de dikte van de bovenste halfbolvormige schaal in zijn geheel met 1 mm vergroot. Bovendien hebben de drukbestendige stalen bouten die worden gebruikt voor het routeren door het magazijn een hogere sterkte, vergelijkbaar met massieve bouten, en ondersteunen ze de draadgaten.

 

4.5 Prestatiesimulatie van drukbestendige schaal van vectorhydrofoon

Uit figuur 1 blijkt dat de ontworpen drukbestendige bolvormige schaal van de vectorhydrofoon niet langer een ideale bolvormige schaal is. De grootste impact op de drukbestendige prestaties is de opening van een groter schroefdraadgat in het bovenste halfrond. Door de invloed van het gat is de dikte van het bovenste halfrond met 1 mm toegenomen. Deze veranderingen zijn niet theoretisch berekend. Het volgende maakt gebruik van de methode van eindige-elementenanalyse om structurele statische simulatie en eigenwaarde-kniksimulatie uit te voeren op het driedimensionale model van de vectorhydrofoon sferische schaal om te verifiëren of de ontworpen vectorhydrofoon een externe druk van 30 MPa kan weerstaan. De gebruikte eindige-elementensimulatiesoftware is ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Structurele statische simulatie

Importeer het driedimensionale digitale model van de vector hydrofoon bolvormige schaal in de eindige-elementensimulatiesoftware, stel het schaalmateriaal in op 7075T6 aluminiumlegering en stel de contactmodus tussen de bovenste schaal en de plug en tussen de bovenste en onderste schaal in om de modus te binden. De hexaëdermethode wordt gebruikt om het model te meshen, de maaswijdte is ingesteld op een buigfunctie en de maximale grootte is ingesteld op 0,8 mm. De verplaatsingen in de x-, y- en z-richtingen worden op het bovenoppervlak van de plug op 0 ingesteld om de vertaling van het model te beperken; er wordt een cilindrische oppervlaktebeperking ingesteld op het buitenste cilindrische oppervlak van de plug, en de tangentiële richting wordt vastgelegd om de rotatie en rotatie van het model te beperken. Axiaal en radiaal vrij; breng een drukbelasting van 30 MPa aan op alle buitenoppervlakken van de hydrofoonschaal (inclusief het binnenoppervlak van de O-ringgroef) en voer er structurele statische analyses op uit. De spanningsintensiteitsverdeling van de hydrofoonschaal verkregen door simulatie wordt weergegeven in figuur 2. De spanningsintensiteit is geselecteerd voor analyse omdat het een equivalente spanning is op basis van de derde intensiteitstheorie, het resultaat veiliger is en geschikt is voor drukvatanalyse.

De spanningsintensiteit van de ringvormige uitstulping veroorzaakt door de O-ringgroef in het midden van de hydrofoonschaal (die kan worden beschouwd als een verstijvende ribring) is klein; de simulatiewaarde van de spanningsintensiteit van het middelste deel van de bovenste en onderste hemisferische schalen van de hydrofoonschaal is de kleinste. De waarde is minder dan 202,7 MPa, hier zijn discontinuïteit en spanningsconcentratie niet inbegrepen. Het kan worden beschouwd als de primaire algehele filmspanningsintensiteit, volgens formule (6), de theorie van de primaire algehele filmspanning (dat wil zeggen de maximale hoofdspanning) van de dunwandige bolvormige schaal. De berekende waarde is 187,8 MPa, wat in feite is consistent met de simulatieresultaten. De spanningsintensiteit in de meeste gebieden van het binnenoppervlak van de bovenste en onderste bolvormige schalen is relatief groot en de waarde ervan is minder dan 243,2 MPa. De spanning op dit punt behoort tot de primaire buigspanning en voldoet aan de limiet van minder dan 1,5 maal de toegestane spanning. Er is een ringvormige grote spanningszone op de kruising van de onderste halfronde schaal en het centrale ringvormige uitsteeksel, de spanningsintensiteit is ongeveer 324,2 MPa, de spanning hier is de primaire spanning plus de secundaire spanning, en de waarde ervan is minder dan 3 maal de toegestane spanning, die voldoet aan de ontwerpvereisten. Er zijn lokale spanningsconcentraties op de plaats waar de bovenkant van de bovenste halfronde schaal in contact is met de plug en op enkele plaatsen in de O-ringgroef. De maximale spanning is 405,2 MPa, die behoort tot de primaire spanning plus de secundaire spanning plus de piekspanning. Deze spanning heeft geen invloed op de impact van sterktefalen heeft vooral invloed op het vermoeiingsfalen van de drukschaal. Daarom kan de bolvormige schaal van de vectorhydrofoon een externe druk van 30 MPa weerstaan ​​zonder krachtverlies.

 

4.5.2 Eigenwaarde kniksimulatie

Vervolgens wordt de drukbelasting op het buitenoppervlak van het bolvormige hydrofoonmodel gewijzigd in 1 MPa, en wordt de knikanalyse van de eigenwaarde uitgevoerd op basis van de resultaten van de structurele statische analyse. De totale vervorming van de knikmodus van de eerste orde van de bolvormige schaal van de hydrofoon wordt getoond in figuur 3.

Uit figuur 3 blijkt dat de vervorming vooral in het onderste halfrond plaatsvindt, omdat hoe dunner de bolvormige schaal is, hoe slechter de stabiliteit. De knikbelastingsfactor van de eerste orde is 680,35, dus de simulatiewaarde van de kritische instabiliteitsdruk van de bolvormige hydrofoonschaal is 680,35 MPa, wat iets hoger is dan de kritische druk voor omtrekinstabiliteit berekend met de formule van 611,6 MPa. Daarom kan de bolvormige schaal van de vectorhydrofoon een externe druk van 30 MPa weerstaan ​​zonder stabiliteitsproblemen.

 

4.6 Productie van vectorhydrofoons

De bovenste en onderste hemisferische schalen van de vectorhydrofoonsensor wordt verwerkt door CNC-bewerkingsmachines. Het materiaal is een 7075-T6 aluminiumlegering en het oppervlak is geanodiseerd om een ​​dichte oxidebeschermende film te vormen om de oppervlaktehardheid te verbeteren en zeewatercorrosie te voorkomen. De voltooide sferische vectorhydrofoon met co-vibratie wordt weergegeven in figuur 4. Na daadwerkelijke meting is de massa 274,7 g en de dichtheid 1,40 x 103 kg/m3. De buitenstraal van de vectorhydrofoon is Ro=36 mm, en als we vergelijking (4) vervangen, ondersteunt de grootte van deze hydrofoon de bovengrens van zijn werkfrequentie fmax=2653 Hz. Voor gebruiksgemak rondt u de bovengrens van de werkfrequentie af op 3000 Hz. Op dit moment is kRo=0,45239, dichtheidsverhouding 0r / r =1,40, waarbij vergelijkingen (1) en (2) worden vervangen door vergelijkingen (1) en (2) om v/v0=0,77 te krijgen, het maximale faseverschil is slechts 0,15 ° , wat voldoet aan de toepassingsvereisten.

 

5 Vectorhydrofoonprestatietest

Om te controleren of de akoestische prestaties en drukweerstand van de ontworpen en vervaardigde co-vibratie sferische vectorhydrofoon aan de eisen voldoen, worden de hydrofoonmonsters in de staande golfbuis geplaatst voor gevoeligheids- en gerichtheidstests, en wordt de statische druktest uitgevoerd in de autoclaaf.

 

5.1 Gevoeligheidstest

De gevoeligheid van de drie-assige piëzo-elektrische versnellingsmeter die wordt gebruikt bij de co-vibratie onderwatervectorhydrofoon in dit artikel is Ma=2500 mV/g. De trillingssnelheidsgevoeligheid van een vectorhydrofoon wordt doorgaans uitgedrukt door de equivalente geluidsdrukgevoeligheid Mp in het vrije veld. Er is de volgende conversierelatie tussen Mp en Ma. Door de feitelijke gemeten waarde van de gemiddelde dichtheid van de hydrofoon in vergelijking (3) te vervangen kan | v/v0|=0,7895, door deze waarde in vergelijking (16) in te vullen, kan de relatie tussen de theoretisch equivalente geluidsdrukgevoeligheid van de vectorhydrofoon en de geluidsgolffrequentie worden verkregen, zoals weergegeven door de zwarte ononderbroken lijn in Figuur 5. Bij 500 Hz is de theoretische gevoeligheid van het vectorkanaal van de vectorhydrofoon -187,4 dB (0 dB re 1V/μPa, exclusief de versterkingsfactor van de ingebouwde hydrofoon). voorversterker), die de gevoeligheid met 6 dB per octaaf verhoogt. De trillingssnelheidsgevoeligheid van de vectorhydrofoon wordt getest in een staande golfbuis met behulp van een vergelijkingsmethode, en de effectieve frequentieband van de staande golfbuis is 100 ~ 1000 Hz. De gemeten resultaten van de gevoeligheid van elk kanaal van de sferische vectorhydrofoon met co-vibratie worden weergegeven in figuur 5 met de rode sterpunten. Het is duidelijk dat de gemeten curven van de gevoeligheid van de drie vectorkanalen in principe consistent zijn met de theoretische curven. De gevoeligheden van de X-, Y- en Z-kanalen bij 500 Hz zijn respectievelijk -188,9, -188,1 en -187,6 dB. De gevoeligheidsconsistentiefout van elk vectorkanaal in de meetfrequentieband bedraagt ​​niet meer dan 1,2 dB; de kleinste kwadratenmethode wordt gebruikt om de helling te vinden die past bij de gevoeligheidscurve van de drie kanalen, en het maximale verschil tussen de gevoeligheidsgegevens van de drie kanalen en de overeenkomstige helling is minder dan 0,8 dB. Dat wil zeggen, de instabiliteit van het gevoeligheidsniveau van de hydrofoon is minder dan 0,8 dB; de gevoeligheid neemt toe met 6 dB per octaaf, wat consistent is met de theoretische trend.

 

5.2 Directiviteitstest

 

De drie vectorkanalen van de co-vibrerende sferische vectorhydrofoon zouden theoretisch een cosinus-directiviteit moeten hebben, onafhankelijk van de frequentie. De rotatiemethode wordt gebruikt om de gerichtheid van de co-vibrerende sferische vectorhydrofoon in de staande golfbuis te meten, en het hoekinterval van de rotatietest is 0,4 °. De richtingsgevoeligheid van de X-, Y- en Z-kanalen bij respectievelijk 100, 500 en 1000 Hz werd getest. De resultaten laten zien dat de X-, Y- en Z-kanalen een goede cosinus-directiviteit hebben op de drie frequentiepunten. De richtingscurven van de X-, Y- en Z-kanalen bij 500 Hz worden weergegeven in Figuur 6. Te zien is dat de minimale putdiepte van de X-kanaal richtingscurve 34,1 dB is, en de minimale putdiepte van de Y-kanaal richtingscurve 29,8 dB. De minimale putdiepte van de kanaaldirectiviteitscurve is 38,9 dB. Omdat het signaal dat wordt gegenereerd door de geluidsgolf op het te meten kanaal wanneer de vectorhydrofoon zich op het concave punt bevindt, extreem klein is, stopt het roterende systeem niet wanneer het testsysteem werkt, en worden de mechanische trillingen en het geluid van het roterende systeem rechtstreeks via de ophangveer naar de vector overgebracht. Op de hydrofoon is het op het te meten kanaal gegenereerde signaal vaak veel groter dan het akoestische signaal, waardoor de diepte van de put die door de meting wordt verkregen veel ondieper is dan de werkelijke waarde. Toch bereikt de kleinste putdiepte in de drie vectorkanalen 29,8 dB, wat aan de toepassingsvereisten kan voldoen.

 

5.3 Bestand tegen spanningstest

De statische druktest van de meevibrerende bolvormige hydrofoon werd uitgevoerd in de autoclaaf. Volgens GB 150.1 moet voor de hydraulische test van een extern drukvat 1,25 keer de ontwerpdruk als testdruk worden genomen. De ontwerpdruk van de vectorhydrofoon is 30 MPa, dus de maximale druk van de druktest is ingesteld op 37,5 MPa. Tijdens de test werd de drukmodus van de hydrofoonglijder langs het profiel van de onderwaterzweefvliegtuig gesimuleerd. Eerst werd de druk verhoogd tot 37,5 MPa bij constante snelheid, en de druk werd een half uur gehandhaafd, daarna werd de druk langzaam verlaagd en werd de druk opnieuw verhoogd tot 37,5 MPa bij constante snelheid, en de cyclus werd 5 keer herhaald. Er was geen plotselinge drukval in de autoclaaf tijdens het gehele drukverhogingsproces. Het uiterlijk van de twee hydrofoonmonsters voor en na compressie was niet beschadigd en het gewicht was hetzelfde. Vervolgens werden de akoestische prestaties van de hydrofoon opnieuw getest in de staande golfbuis. Uit de testresultaten bleek dat de hydrofoon na de onderdrukking normaal werkte en dat de gevoeligheid en richtingsgevoeligheid in principe hetzelfde waren als vóór de onderdrukking. Het is bewezen dat de co-vibrerende sferische vectorhydrofoon een waterdruk van 37,5 MPa kan weerstaan.

 

6 Conclusie

In overeenstemming met de vereisten van drukweerstand en akoestische prestaties van een vectorhydrofoon met grote diepte, stelt dit artikel een ontwerpmethode voor voor de bolvormige schaal met minimale gemiddelde dichtheid van een co-vibrerende sferische vectorhydrofoon, die een belangrijke theoretische richtinggevende betekenis heeft voor de technische realisatie. Analyseerde en berekende typische diepzee-technische materialen, en selecteerde 7075T6 aluminiumlegering als materiaal voor de drukbestendige schaal van de vectorhydrofoon; heeft de drukbestendige sferische schaalontwerpmethode met minimale gemiddelde dichtheid aangenomen, door middel van theoretische berekeningen en eindige elementensimulaties, om de sterkte en stabiliteit van de schaal te bepalen. Het ontwerp en de implementatie van een grote diepte co-vibratie vectorhydrofoon heeft de waterdruktest van 37,5 MPa doorstaan; de externe afmetingen van de vectorhydrofoon ondersteunen de bovengrens van de werkfrequentie tot 3000 Hz, en de gevoeligheid is -188 dB bij 500 Hz, de gevoeligheidsconsistentiefout van de drie kanalen is minder dan 1,2 dB en de gevoeligheidsfluctuaties zijn allemaal minder dan 0,8 dB. De richtingsgevoeligheid van de drie kanalen is een ideaal cijfer acht. Bij mechanisch rotatiegeluid is het concave punt ook de diepte hoger dan 29,8 dB.