Drukbestendige hydrofoon op basis van piëzo-elektrische keramische bolvormige schaal

Gebaseerd op de drukweerstand van piëzo-elektrische keramische bolvormige schaal zelf, een drukbestendige hydrofoon, werd ontworpen en vervaardigd met behulp van radiaal gepoleerde piëzo-elektrische keramische bolvormige schaal met luchtondersteuning als akoestisch gevoelig element. Ten eerste werden de akoestische kenmerken zoals laagfrequente open circuit-ontvangstgevoeligheid en trillingsfrequentie geanalyseerd en gesimuleerd met behulp van de eindige-elementenmethode. Vervolgens werden de drukvaste prestaties zoals sterkte en stabiliteit geanalyseerd, eveneens gesimuleerd met FE-software. Tenslotte werden de akoestische prestaties en drukweerstand getest. Testresultaten tonen aan dat de diameter van de drukbestendige hydrofoon 36 mm is en dat het werkfrequentiebereik van 50 Hz tot 10 kHz ligt. De laagfrequente drukgevoeligheid is 198:4 dB (0 dB ref 1 V/Pa), het geluidsspectrumniveau is 46,5 dB bij 1 kHz en de werkdiepte is 3000 m. Deze drukbestendige hydrofoon biedt een referentie voor het ontwerp van diepwaterhydrofoons en heeft een belangrijke toepassingswaarde op het gebied van diepwaterakoestiek.

 

invoering

 

Sinds het begin van de 21e eeuw hebben diepzeeonderzoek en -ontwikkeling steeds meer aandacht gekregen en zijn ze een heet hangijzer geworden voor concurrentie tussen landen. Drukbestendige hydrofoons zijn onmisbare apparatuur voor diepzeeontwikkeling. Bovendien, met de snelle ontwikkeling van militaire technologie in verschillende landen, diverse onderwaterapparatuur zoals onderzeeërs, torpedo's, onbemande onderwatervliegtuigen (UUV), onderwaterzweefvliegtuigen (UUG), onderwaterrobots (ROV), onderwaterdoelen, enz. Met toenemende diepte moet deze diepwaterapparatuur meestal worden uitgerust met drukbestendige hydrofoons die hun werkdiepte aankunnen. Om de effecten van hoge hydrostatische druk te weerstaan, gebruiken drukbestendige hydrofoons gewoonlijk speciale drukbestendige structuren of interne en externe drukbalansontwerpen, zoals drukontlastings- of drukcompensatiestructuren, met olie gevulde structuren, overloopstructuren, enz. Met olie gevulde en overstroomstructuren kunnen theoretisch de statische druk van de hele zeediepte weerstaan, en zijn de meest gebruikte drukbestendige structuren voor drukbestendige hydrofoons. De drukbestendige hydrofoons van deze twee structuren gebruiken over het algemeen een piëzo-elektrische keramische buis als ontvangsttransducer. Deze piëzo-elektrische hydrofoon met keramische buizen heeft de voordelen van een eenvoudige structuur en technologie, maar heeft ook de voordelen van een laagfrequente open circuit-spanningsgevoeligheid. Nadelen. De radiaal gepolariseerde piëzo-elektrische buis is gespleten om de ontvangstgevoeligheid te verbeteren, maar vernauwt ook de werkfrequentieband aanzienlijk, die slechts 10/200 Hz bedraagt. Als de ontvangstfrequentieband van de piëzo-elektrische keramische hydrofoon met ronde buis dichtbij zijn resonantiefrequentie ligt, zal de werkfrequentieband, hoewel de gevoeligheid kan worden verbeterd, ernstig beperkt zijn en zal de vlakheid van de gevoeligheidscurve verloren gaan. Naast piëzo-elektrische transducers met ronde buizen, worden piëzo-elektrische transducers met bolvormige schaal ook vaak gebruikte ontvangsttransducers voor akoestische drukhydrofoons. De piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer heeft vele voordelen, zoals een eenvoudige structuur en proces, hoge gevoeligheid, goede omnidirectionaliteit en bandbreedte van de werkfrequentie. Wat nog belangrijker is, de eigenschappen van het materiaal en de structuur bepalen dat de piëzo-elektrische keramische bolvormige schaal zelf een hoge weerstand heeft. Naast de met olie gevulde of overstroomstructuur biedt dit een andere mogelijkheid voor het ontwerp van drukbestendige hydrofoons, dat wil zeggen het gebruik van een door lucht ondersteunde piëzo-elektrische bolvormige schaal als ontvangsttransducer van de drukbestendige hydrofoon.

 

1 Akoestische ontvangsteigenschappen van piëzo-elektrische bolvormige transducer

 

 Lage frequentie ontvangstgevoeligheid

 

Beperkt door vorm en verwerkingstechnologie, hebben piëzo-elektrische keramische bolvormige omhulsels meestal slechts één polarisatiemodus: radiale polarisatie, en de positieve en negatieve elektroden bevinden zich respectievelijk op de binnen- en buitenoppervlakken van de bolvormige omhulsel. Voor een piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer met een binnenstraal van a en een buitenstraal van b zal, wanneer onderworpen aan een geluidsdruk p0 waarvan de frequentie veel lager is dan de intrinsieke frequentie, een potentiaalverschil V worden gegenereerd tussen de binnen- en buitenelektroden van de piëzo-elektrische bolvormige schaal. De ontvangstgevoeligheid van een hydrofoon wordt doorgaans uitgedrukt door de ontvangstgevoeligheid Me in het vrije veld. Me wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de nullastspanning aan de uitgang van de hydrofoon en de geluidsdruk in het vrije veld op de positie van de hydrofoon in het geluidsveld. De decibelvorm is de ontvangstgevoeligheid in het vrije veld. . Daarom is de laagfrequente open-circuit ontvangstspanningsgevoeligheid van de piëzo-elektrische bolvormige schaal met luchtsteun. Onder de veronderstelling dat het piëzo-elektrische materiaal het materiaal is dat in dit artikel wordt gebruikt, geldt: wanneer t constant is, hoe groter b is, dat wil zeggen: hoe groter de buitendiameter van de piëzo-elektrische bolvormige schaal, hoe hoger de gevoeligheid; Wanneer b zeker is en t 0,36, is de gevoeligheid het kleinst, en dit punt moet bij het ontwerp worden vermeden; wanneer b zeker is en t <0:36, hoe kleiner t, dat wil zeggen hoe dunner de piëzo-elektrische bolvormige schaal, hoe hoger de gevoeligheid.

 

1.2 Resonantiefrequentie

 

Voor een dun piëzo-elektrisch sferische onderwater akoestische transducer , de resonantiefrequentie in de lucht. Het is duidelijk dat de resonantiefrequentie van de dunne piëzo-elektrische bolvormige schaal slechts de gemiddelde straal r is en de dichtheid van het materiaal s, Young's modulus Y E11. Het houdt verband met de Poisson-verhouding, wat equivalent is aan het vereenvoudigen ervan tot een bolvormige schaal van isotroop elastisch materiaal. Het is te zien dat wanneer het piëzo-elektrische materiaal wordt bepaald, hoe groter de gemiddelde straal r van de bolvormige schaal is, hoe hoger het resonantiepunt en hoe groter de werkbandbreedte. In water zal, als gevolg van de verhoogde stralingsimpedantie van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer, de resonantiefrequentie iets lager zijn dan de resonantiefrequentie in lucht. Wanneer de piëzo-elektrische sferische hydrofoon wordt gebruikt voor ontvangst van lage frequenties, ligt de werkfrequentie ver weg van de resonantiefrequentie om de vlakheid van de gevoeligheid te garanderen. In de techniek is het over het algemeen vereist dat de resonantiefrequentie ten minste vijf keer de bovengrens van de werkingsfrequentie bedraagt.

 

 

 

2 Analyse van de drukweerstandsprestaties van een piëzo-elektrische bolvormige transducer

 

De faalwijzen van drukbestendige constructies omvatten hoofdzakelijk sterktefalen, stijfheidfalen, stabiliteitsfalen en corrosiefalen. Voor hydrofoons met grote diepte is de belasting die deze draagt ​​voornamelijk externe waterdruk, en de faalwijzen zijn voornamelijk krachtfalen en stabiliteitsfalen. De twee faalsituaties van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer worden hieronder besproken.

 

2.1 Analyse van sterktefalen

Sterktefalen verwijst naar het fenomeen dat onomkeerbare vervorming of breuk optreedt nadat de maximale spanning in de container de vloeigrens overschrijdt, waardoor de container zijn draagvermogen verliest. Overeenkomend met het falen van de sterkte is de maximaal toelaatbare druk van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer. Volgens de momentvrije theorie van de roterende schaal zal de bolvormige schaal, onder invloed van de externe druk p, axiale trekspanning z en hoepeltrekspanning produceren, en deze twee zijn gelijk in waarde. Onder hen bevindt D0 zich buiten de bolvormige schaaldiameter, de eenheid is mm; is de dikte van de bolvormige schaal, de eenheid is mm. Volgens de theorie van de maximale hoofdspanning moet aan het drukbestendige structuurontwerp worden voldaan. Onder hen is de toegestane stress. Volgens de nationale norm GB 150.3 van mijn land is voor de materiaalnorm Rel bij normale temperatuur de veiligheidsfactor ns = 1:5. De normale temperatuurvloeigrens van het piëzo-elektrische keramische materiaal P-51 dat in de piëzo-elektrische bolvormige schaal wordt gebruikt, is Rel = 137:9 MPa, dus de toelaatbare spanning van het materiaal [] = Rel/ns = 91:9 MPa. Door de parameter t te vervangen, kan de maximaal toelaatbare druk van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer worden verkregen, aangezien het gemakkelijk is om te weten dat hoe groter de verhouding t van de bolvormige schaaldikte tot de buitendiameter, hoe sterker de sterkte en het drukweerstandsvermogen van de piëzo-elektrische bolvormige schaal.

 

2.2 Analyse van stabiliteitsstoringen

Stabiliteitsfalen verwijst naar het fenomeen dat de container verandert van een stabiele evenwichtstoestand naar een andere onstabiele toestand onder invloed van externe belasting, en zijn vorm plotseling verandert en zijn normale werkvermogen verliest. Overeenkomend met het stabiliteitsfalen is de kritische instabiliteitsdruk van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer. Volgens de theorie van kleine vervorming heeft de kritische instabiliteitsdruk pcr van de bolvormige schaal onder externe kracht een grote fout voor deze formule, dus wordt ter compensatie vaak een grote veiligheidsfactor gebruikt. Volgens GB 150.3 wordt voor de stabiliteitsveiligheidsfactor m = 14:25 genomen, dus de toegestane kritische druk voor omtrekinstabiliteit [p] = pcr/m. Door de parameter t op dezelfde manier te vervangen, is de toelaatbare kritische druk voor omtrekinstabiliteit van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer gemakkelijk te kennen. Wanneer het piëzo-elektrische materiaal wordt bepaald, hoe groter de verhouding t van de bolvormige schaaldikte tot de buitendiameter, hoe groter de druk. De stabiliteit en drukweerstand van de elektrische kogelschaal zijn sterker.

 

3 Eindige elementensimulatie

Uit de bovenstaande analyse blijkt dat voor de gevoeligheid en werkfrequentie van de piëzo-elektrische bolvormige schaal geldt: hoe groter de buitendiameter, hoe dunner hoe beter; en vanwege de drukweerstand: hoe kleiner de buitendiameter, hoe dikker de dikte. het is goed. Dat wil zeggen dat de akoestische prestatie en de drukweerstandsprestatie onderling tegengesteld zijn. Rekening houdend met de vereisten van akoestische prestaties en drukweerstand, evenals de moeilijkheidsgraad en kosten van de verwerking van bolvormige schaal (meestal hoe groter de buitendiameter, hoe groter de dikte, hoe groter de verwerkingsmoeilijkheid en hoe hoger de kosten), de buitenradius van het ontwerp bolvormige schaal b = 15 mm, dikte = 3 mm. Het piëzo-elektrische materiaal dat in de bolvormige schaal wordt gebruikt, is P-51, de piëzo-elektrische coëfficiënt g33 = 25: 6 10 3 V m/N, g31 = 9: 6 10 3 V m/N, dichtheid s = 7600 kg/m3, Young's modulus Y E11 = 6:0 1010 Pa, Poisson-verhouding = 0:36.

 

3.1 Simulatie van akoestische kenmerken van piëzo-elektrische bolvormige schaal

Om de juistheid van de analyse van de akoestische ontvangstkarakteristieken van de piëzo-elektrische sferische schaaltransducer te verifiëren, wordt de eindige-elementenanalysemethode gebruikt om deze te modelleren en te simuleren, en wordt de simulatiesoftware COMSOL5.4 gebruikt.

 

3.1.1 Simulatie van ontvangstgevoeligheid

Maak eerst een driedimensionaal bolvormig schaalstructuurmodel. Om de modelleringsgeometrie te vereenvoudigen en de oplossing te versnellen, creëert het model slechts 1/8 piëzo-elektrische bolvormige schillen en gebruikt het 3 vlaksymmetriebeperkingen om een ​​volledige bolvormige schil te verkrijgen. Creëer een piëzo-elektrisch materiaal radiaal polarisatiecoördinatensysteem in sferische coördinaten en gebruik de materiaalparameters van piëzo-elektrisch materiaal P-51. Stel de grensbelasting in op 0,1 MPa druk op het buitenoppervlak en geen druk op het binnenoppervlak. Door frequentiedomeinanalyse uit te voeren, wordt het opgelost als een steady-state probleem. Figuur 2 toont de simulatieresultaten van de potentiaalverdeling van de piëzo-elektrische bolvormige schaal wanneer deze wordt blootgesteld aan een druk met een frequentie van 500 Hz en een druk van 0,1 MPa.

Door de grootte en materiaalparameters van de piëzo-elektrische bolvormige schaal in de formule te vervangen, kan het theoretische open circuit worden verkregen wanneer het wordt blootgesteld aan een laagfrequente geluidsdruk van 0,1 MPa.

De uitgangsspanning is 11,646 V. Uit figuur 2 blijkt dat wanneer de piëzo-elektrische bolvormige schaal wordt onderworpen aan een geluidsdruk van 0,1 MPa bij 500 Hz, het simulatieresultaat van de uitgangsspanning 11,632 V is, wat consistent is met de theoretische waarde. Op dit moment bedraagt ​​de gevoeligheid 198,7 dB bij 500 Hz (0 dB = 1 V/Pa).

 

3.1.2 Resonantiefrequentiesimulatie

Het volgende maakt ook gebruik van de eindige-elementensimulatiemethode om de resonantiefrequentie van de piëzo-elektrische keramische bolvormige schaal te simuleren, en de simulatiefrequentieband is 1 Hz/200 kHz. Eerst wordt het materiaal van de piëzo-elektrische bolvormige schaal vereenvoudigd tot een isotroop elastisch materiaal, en wordt er een frequentiezwaaianalyse op uitgevoerd, en wordt de frequentieresponscurve van de vervorming ervan weergegeven in figuur 3. Volgens formule (3) wordt de resonantiefrequentie fa van de piëzo-elektrische bolvormige schaal in de lucht afgeleid op 58,557 kHz. Uit figuur 3 blijkt dat de gesimuleerde waarde van de resonantiefrequentie 58,9 kHz is, wat in wezen consistent is met de theoretische waarde. Opgemerkt moet worden dat de formule (3) slechts een vereenvoudigde berekening is voor de isotrope dunne bolvormige schaal, en dat het piëzo-elektrische bolvormige schaalmateriaal niet isotroop is en dat de dikte relatief dik is. Het direct toepassen van formule (3) zal bepaalde fouten vertonen. Als de volledige parameters van de piëzo-elektrische keramiek worden vervangen, wordt de frequentieresponscurve van de open-circuitspanningsgevoeligheid weergegeven in figuur 4. Uit figuur 4 blijkt dat in de frequentieband van 1 Hz tot 10 kHz de gevoeligheidscurve van de piëzo-elektrische bolvormige schaal zeer vlak is, met een gevoeligheid van 198,7 dB, wat consistent is met de theoretische analyse. De resonantiefrequentie wordt 72,1 kHz, wat iets groter is dan het berekeningsresultaat van formule (3), maar dit heeft geen invloed op de geldigheid van de formule in technische toepassingen. Omdat de relevante dempingscoëfficiënt van het piëzo-elektrische materiaal niet kan worden verkregen, zijn de flexibiliteitsmatrixverliesfactor en de piëzo-elektrische matrixverliesfactor in het model ingesteld op 0, wat leidt tot de simulatie dat de gevoeligheid van de piëzo-elektrische bolvormige schaal bij de resonantiefrequentie 155 dB is, in feite zou de gevoeligheid kleiner moeten zijn dan deze waarde.

3.2 Simulatie van drukweerstandsprestaties van piëzo-elektrische bolvormige schaal

De theoretische berekeningsformule van drukweerstand in sectie 2 is een vereenvoudigde formule die is samengevat voor het gemak van technische toepassing, en de feitelijke piëzo-elektrische bolvormige schaal. Gaten zullen worden geopend vanwege installatiebehoeften, waardoor de werkelijke drukcapaciteit inconsistent kan zijn met de theoretische berekeningsresultaten. Om het drukvermogen van de piëzo-elektrische sferische schaaltransducer zo nauwkeurig mogelijk te verkrijgen, werden respectievelijk de statische structuursimulatie en de eigenwaarde-kniksimulatie uitgevoerd via de eindige-elementenanalysesoftware Workbench.

 

3.2.1 Structurele statische simulatie

Structurele statische simulatie kan de spanningsverdeling door de constructie verkrijgen wanneer de constructie onder belasting staat. Daarom is de maximaal toelaatbare spanning van het bekende materiaal

De maximaal toegestane druk die het kan verdragen, kan worden gesimuleerd. Er wordt een driedimensionaal model van de bolvormige schaal gemaakt en er worden montagegaten op het bolvormige schaalmodel aangebracht. Adopteer de bolvormige schaal

De hexaëdermethode wordt gebruikt om het rooster te verdelen, en rolsteunen worden op het cilindrische oppervlak en het onderste vlak van het montagegat geplaatst, en er wordt druk uitgeoefend op het buitenoppervlak van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer.

Verander voortdurend de grootte van de druk en voer er structurele statische analyses op uit. Uit de simulatie bleek dat wanneer de druk op het buitenoppervlak 28 MPa bereikt, het piëzo-elektrisch wordt

De maximale spanning van de bolvormige schaal is 151 MPa, en de spanningsverdeling ervan wordt weergegeven in figuur 5 (om de observatie van de interne spanning te vergemakkelijken, wordt de piëzo-elektrische bolvormige schaal langs de middellijn doorgesneden om te laten zien

Show). Opgemerkt moet worden dat de maximale spanning alleen optreedt op de grenslijn van de hoek op het montagegat, en dat de maximale spanning op de resterende andere plaatsen kleiner is dan dit

De veilig toegestane spanning van het piëzo-elektrische materiaal is 91,9 MPa, dus de maximaal toegestane druk van de piëzo-elektrische bolvormige schaal kan volgens de simulatie 28 MPa bereiken. En de wortel

Volgens formule (6) kan de maximaal toelaatbare druk van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer worden verkregen als 36,8 MPa. Te zien is dat de druksterkte van de bolvormige schaal na perforatie lager is dan die van de volledige schaal

De theoretische sterkte van de gehele bolvormige schaal. In de simulatie overschrijdt het spanningsconcentratiefenomeen dat op een paar plaatsen in het montagegat optreedt de toegestane veiligheidsspanning, en of dit de drukweerstand van de piëzo-elektrische bolvormige schaal beïnvloedt, moet nog worden geverifieerd door de druktest.

 

3.2.2 Eigenwaarde kniksimulatie

De eigenwaarde-kniksimulatie kan de knikmodi van dunne-schaalconstructies en hun overeenkomstige kritische knikdrukken verkrijgen. Er werd een druk van 1 MPa uitgeoefend op het buitenoppervlak van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer en de eigenwaarde-knikanalyse werd uitgevoerd. De simulatieresultaten laten zien dat de knikmodus van de eerste orde wordt getoond in figuur 6, en het golfgetal van de eerste orde n = 4, wat consistent is met de instabiliteitskarakteristieken van de bolvormige schaal. De knikbelastingsfactor van de eerste orde is 3379, dus de kritische belasting van de eerste orde is 3379 MPa. Omdat de eerste orde de laagste waarde van de knikbelasting is, betekent dit dat de piëzo-elektrische bolvormige schaalstructuur pas stabiel zal zijn als de theoretische druk 3379 MPa bereikt. Volgens formule (7) kan de kritische druk van omtrekinstabiliteit van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer worden verkregen als 2970 MPa, wat in principe consistent is met de simulatieresultaten. De eindige-elementensimulatieresultaten laten zien dat de maximaal toegestane druk van de piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer 28 MPa is, en de kritische knikdruk 3379 MPa, wat aangeeft dat wanneer de externe druk blijft toenemen, de piëzo-elektrische bolvormige schaal verandert. Het eerste optreden van het energieapparaat is een krachtstoring, wat ook aantoont dat de veilige weerstandsspanningsdiepte 2800 m is.

 

4 Ontwikkeling en prestatietest van sferische drukhydrofoon

4.1 Ontwikkeling van sferische drukbestendige hydrofoon

In dit artikel een radiaal gepolariseerde luchtsteun een piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer wordt gebruikt als de akoestische ontvangstsensor, en er wordt een bolvormige drukbestendige hydrofoon ontworpen en vervaardigd. De buitenstraal van de piëzo-elektrische bolvormige schaal die wordt gebruikt in de bolvormige drukbestendige hydrofoon is 15 mm, de dikte van de bolvormige schaal is 3 mm en het piëzo-elektrische keramische materiaal dat voor de bolvormige schaal wordt gebruikt is P-51. De binnenkant van de piëzo-elektrische bolvormige schaal is een holte en de buitenste laag is ingegoten met een laag geluiddoorlatend rubber om te isoleren, af te dichten en te beschermen. De dikte van het geluiddoorlatende rubber bedraagt ​​3 mm. Het fysieke object van een bolvormige drukbestendige hydrofoon. De diameter van de gehele hydrofoon is 36 mm.

 

 

4.2 Prestatietest van sferische drukhydrofoon

 

4.2.1 Gevoeligheidstest ontvangen

De voltooide bolvormige drukbestendige hydrofoon wordt in een staande golfbuis geplaatst en de laagfrequente open-circuit ontvangstgevoeligheid wordt getest door de vergelijkingsmethode. Balbestendig

De drukhydrofoon en de standaardhydrofoon worden tegelijkertijd op dezelfde hoogte in de staande golfbuis gehangen, waardoor de emissiefrequentie van de geluidsbron van de staande golfbuis verandert en beide tegelijkertijd worden opgenomen

Door de vergelijkingsmethode wordt de ontvangstgevoeligheid van de Er wordt een bolvormige drukbestendige hydrofoon verkregen. De gebruikte staande golfbuis kan slechts een combinatie van 50 1000 Hz produceren

Raster staande golf, dus de meetfrequentieband is deze keer 50 1000 Hz. De gemeten resultaten van de gevoeligheidscurve van de sferische drukbestendige hydrofoon worden weergegeven in figuur 8

Uit het testresultaat blijkt dat de gevoeligheid van de sferische drukbestendige hydrofoon in de frequentieband 50-1000 Hz ongeveer 198,4 dB bedraagt, wat in principe consistent is met de theoretische waarde. in

In het bereik van 50-1000 Hz bedraagt ​​de gevoeligheidsfluctuatie niet meer dan 0,5 dB. De staandegolfbuis kan alleen onder 1 kHz worden gekalibreerd. Voor de frequentieband van 1 kHz tot 10 kHz wordt de meting uitgevoerd in een echovrije tank. Plaats de voltooide sferische drukbestendige hydrofoon en de standaardhydrofoon in dezelfde positie van de echovrije tank, gebruik de geluidsbron om signalen met één frequentie van verschillende frequenties af te spelen en gebruik de vergelijkingsmethode om de ontvangstgevoeligheidsmeting te voltooien. De gemeten resultaten van de gevoeligheidscurve van de sferische drukbestendige hydrofoon bij 1 kHz en 10 kHz worden getoond in figuur 9. Uit de testresultaten blijkt dat de gevoeligheid van de sferische drukbestendige hydrofoon in de frequentieband van 1 kHz en 10 kHz ongeveer 198 dB bedraagt, wat in principe consistent is met de theoretische waarde. In het bereik van 1 kHz tot 10 kHz bedraagt ​​de gevoeligheidsfluctuatie niet meer dan 1,4 dB.

 

4.2.2 Zelfruistest

 

Om ervoor te zorgen dat de hydrofoon zwakke geluidssignalen kan oppikken, moet de hydrofoon een lagere equivalente eigenruis hebben. Sferische drukhydrofoon

Het wordt in een vacuümtank geplaatst met elektromagnetische afscherming, demping en trillingsreductie, en de zelfruistest wordt uitgevoerd op de BK-3050 signaalverwervingskaart met extreem weinig ruis.

Het equivalente zelfruisspectrum van de sferische drukbestendige hydrofoon wordt weergegeven in de rode ononderbroken lijn in Figuur 10. De zwarte stippellijn in Figuur 10 is het vroegste onderzoek naar oceaangeluid. Het 0-niveau spectrum van zeetoestand-oceaanachtergrondruis, samengevat door Kundson [9]. Volgens de Kundson-curve is het achtergrondgeluid van de oceaan onder zee 0. Het geluidsspectrumniveau is ongeveer 44 dB bij 1 kHz. Opgemerkt moet worden dat deze gegevens een onderzoeksresultaat uit 1948 zijn. De afgelopen jaren is de mondiale scheepvaart bekend geworden

Door de snelle ontwikkeling neemt het achtergrondgeluid van de oceaan jaar na jaar toe. De blauwe stippellijn in Figuur 10 is het spectrumniveau van het achtergrondgeluid van de Zuid-Chinese Zee in 2013 bij niveau 0 zeecondities. Lijn, het is te zien dat het equivalente zelfruisspectrumniveau van de sferische drukbestendige hydrofoon lager is dan of gelijk is aan de zeetoestand op niveau 0 in het bereik van 10-1500 Hz. Het scènegeluid is iets hoger dan het achtergrondgeluid op zeeniveau op 0-niveau in het bereik van 1500 tot 5000. Hz. Het equivalente zelfruisspectrum bij 1000 Hz. Het niveau is 46,5 dB.

 

4.2.3 Bestand tegen spanningsprestatietest

Om het drukweerstandsvermogen van de bolvormige drukbestendige hydrofoon , een monster van de bolvormige drukbestendige hydrofoon werd in een autoclaaf geplaatst voor een druktest. Om de veiligheid te garanderen, wordt het testsysteem onder hoge druk met water onder druk gezet. Volgens de eerdere analyse bedraagt ​​de veilige drukweerstandscapaciteit 28 MPa, wat minder dan 1,5 keer de veiligheidsfactor is

Het verkregen resultaat, dat wil zeggen het theoretische uiteindelijke drukvermogen, bedraagt ​​42 MPa. Om veiligheid en gebruiksgemak in evenwicht te brengen, wordt hier afgerond naar

30 MPa voor testen. Breng tijdens de test eerst de druk op tot 30 MPa, houd de druk 3 uur vast, laat de druk ontsnappen en controleer de hydrofoon; breng vervolgens de druk opnieuw op 30 MPa en herhaal de test 3 keer. Er trad geen significante drukval op tijdens het gehele drukverhogingsproces. Controleer na elke drukverhoging de te testen hydrofoon. Het uiterlijk is niet beschadigd. De weging is consistent voor en na de test. Vervolgens wordt de gevoeligheid opnieuw getest in de staande golfbuis. Uit het testresultaat blijkt dat de gevoeligheid in principe hetzelfde is als de gevoeligheid vóór het onder druk zetten. Dit bewijst dat het bestand is tegen een waterdruk van 3000 meter.

 

5 Conclusie

In dit artikel wordt een combinatie van theoretische formule en eindige-elementensimulatie gebruikt, en de piëzo-elektrische bolvormige schaalstructuur en het materiaal hebben het drukweerstandsvermogen, en de radiaal gepolariseerde luchtgesteunde piëzo-elektrische bolvormige schaaltransducer wordt gebruikt als het akoestische ontvangstgevoelige element. En maakte een bolvormige drukbestendige hydrofoon. De diameter van de sferische drukbestendige hydrofoon is 36 mm, de werkfrequentieband is 50 Hz 10 kHz, de laagfrequente gevoeligheid is 198,4 dB, het equivalente zelfruisspectrumniveau is 46,5 dB bij 1 kHz en de werkdiepte is 3000 m. Het luchtgesteunde piëzo-elektrische bolvormige schaalschema dat in dit artikel wordt gebruikt, heeft een bepaalde drukweerstandscapaciteit verkregen onder de voorwaarde van hoge gevoeligheid. Als de drukweerstandsdiepte voortdurend moet worden verbeterd, moet de gevoeligheid ten koste van dit verlies verloren gaan. Met deze oplossing kan een relatief beperkte drukweerstand worden bereikt. Als de hydrofoon een grotere drukweerstand moet verkrijgen (zoals volledige zeediepte), kun je beter kiezen voor een oliegevulde of overloopoplossing.