Hydrofon odporny na ciśnienie oparty na piezoelektrycznej ceramicznej obudowie kulistej

W oparciu o odporność na ciśnienie Sama piezoelektryczna ceramiczna kulista powłoka, odporna na ciśnienie. Hydrofon została zaprojektowana i wykonana przy użyciu promieniowo nabiegunowanej powietrznej piezoelektrycznej ceramicznej kulistej powłoki. Przetwornik jako element wrażliwy na akustykę. Najpierw przeanalizowano właściwości akustyczne, takie jak obwód otwarty niskiej częstotliwości, czułość odbioru i częstotliwość drgań, a następnie przeprowadzono symulację metodą elementów skończonych. Następnie przeanalizowano odporność na ciśnienie, taką jak wytrzymałość i stabilność, również symulując za pomocą oprogramowania FE. Na koniec przetestowano jego właściwości akustyczne i odporność na ciśnienie. Wyniki badań wykazały, że średnica hydrofonu odpornego na ciśnienie wynosi 36 mm, a jego częstotliwość robocza wynosi od 50 Hz do 10 kHz. Czułość na ciśnienie przy niskiej częstotliwości wynosi 198:4 dB (0 dB ref. 1 V/Pa), poziom widma hałasu wynosi 46,5 dB przy 1 kHz, a głębokość robocza wynosi 3000 m. Ten odporny na ciśnienie hydrofon stanowi punkt odniesienia przy projektowaniu hydrofonów głębinowych i ma ważną wartość aplikacyjną w dziedzinie akustyki głębinowej.

 

wstęp

 

Od wkroczenia w XXI wiek badania i rozwój głębinowych cieszą się coraz większym zainteresowaniem i stały się gorącym obszarem konkurencji między krajami. Hydrofony odporne na ciśnienie są niezbędnym sprzętem do zagospodarowania głębinowego. Ponadto, wraz z szybkim rozwojem technologii wojskowej w różnych krajach, różnorodny sprzęt podwodny, taki jak okręty podwodne, torpedy, podwodne bezzałogowe statki powietrzne (UUV), podwodne szybowce (UUG), podwodne roboty (ROV), cele podwodne itp. Wraz ze wzrostem głębokości ten sprzęt głębokowodny zwykle musi być wyposażony w odporne na ciśnienie hydrofony, które są w stanie sprostać ich głębokościom roboczym. Aby wytrzymać skutki wysokiego ciśnienia hydrostatycznego, w hydrofonach odpornych na ciśnienie zwykle przyjmuje się specjalne konstrukcje odporne na ciśnienie lub konstrukcje równoważące ciśnienie wewnętrzne i zewnętrzne, takie jak konstrukcje nadmiarowe lub kompensujące ciśnienie, konstrukcje wypełnione olejem, konstrukcje przelewowe itp. Konstrukcje wypełnione olejem i przelewowe mogą teoretycznie wytrzymać ciśnienie statyczne całej głębokości morza i są najczęściej stosowanymi konstrukcjami odpornymi na ciśnienie w hydrofonach odpornych na ciśnienie. Odporne na ciśnienie hydrofony tych dwóch konstrukcji zazwyczaj wykorzystują piezoelektryczną rurkę ceramiczną jako przetwornik odbiorczy. Ten hydrofon z piezoelektryczną rurą ceramiczną ma zalety prostej konstrukcji i technologii, ale ma także zalety wrażliwości na napięcie w obwodzie otwartym o niskiej częstotliwości. Wady. Promieniowo spolaryzowana rura piezoelektryczna jest nacięta w celu poprawy czułości odbioru, ale jednocześnie znacznie zawęża pasmo częstotliwości roboczej, które wynosi tylko 10/200 Hz. Jeśli odbierane pasmo częstotliwości hydrofonu z piezoelektryczną ceramiczną rurą okrągłą jest bliskie częstotliwości rezonansowej, chociaż czułość można poprawić, jego pasmo częstotliwości roboczej zostanie poważnie ograniczone, a płaskość krzywej czułości zostanie utracona. Oprócz piezoelektrycznych przetworników z rurą okrągłą, piezoelektryczne przetworniki z kulistą powłoką są również powszechnie stosowane jako przetworniki odbiorcze do hydrofonów ciśnienia akustycznego. Piezoelektryczny przetwornik z powłoką sferyczną ma wiele zalet, takich jak prosta konstrukcja i proces, wysoka czułość, dobra wszechkierunkowość i szerokość pasma częstotliwości roboczej. Co ważniejsze, cechy materiału i struktury decydują o tym, że sama piezoelektryczna ceramiczna kulista powłoka ma wysoką rezystancję. Oprócz konstrukcji wypełnionej olejem lub przelewowej, stwarza to kolejną możliwość projektowania hydrofonów odpornych na ciśnienie, czyli zastosowanie kulistej powłoki piezoelektrycznej z podłożem powietrznym jako przetwornika odbiorczego hydrofonu odpornego na ciśnienie.

 

1 Charakterystyka odbioru akustycznego piezoelektryczny przetwornik z powłoką sferyczną

 

 Czułość odbioru niskich częstotliwości

 

Ograniczone kształtem i technologią przetwarzania, piezoelektryczne ceramiczne powłoki sferyczne mają zwykle tylko jeden tryb polaryzacji: polaryzację promieniową, a elektrody dodatnie i ujemne znajdują się odpowiednio na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni sferycznej powłoki. W przypadku piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną o promieniu wewnętrznym a i promieniu zewnętrznym b, poddawanym działaniu ciśnienia akustycznego p0, którego częstotliwość jest znacznie niższa niż jego częstotliwość wewnętrzna, pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną elektrodą piezoelektrycznej powłoki sferycznej wygenerowana zostanie różnica potencjałów V. Czułość odbioru hydrofonu jest ogólnie wyrażana przez czułość odbioru Me w polu swobodnym. Me definiuje się jako stosunek napięcia jałowego na wyjściu hydrofonu do ciśnienia akustycznego w polu swobodnym w położeniu hydrofonu w polu akustycznym. Jego postać decybelowa to czułość odbioru w polu swobodnym. . Dlatego też obwód otwarty o niskiej częstotliwości odbiera czułość napięcia piezoelektrycznej kulistej powłoki z podparciem powietrza. Przy założeniu, że w tym artykule zastosowano materiał piezoelektryczny, gdy t jest stałe, im większe b, to znaczy im większa średnica zewnętrzna kulistej powłoki piezoelektrycznej, tym wyższa czułość; Gdy b jest pewne, a t 0,36, czułość jest najmniejsza i należy unikać tego punktu w projektowaniu; gdy b jest pewne i t <0:36, im mniejsze t, to znaczy im cieńsza kulista powłoka piezoelektryczna, tym wyższa czułość.

 

1.2 Częstotliwość rezonansowa

 

Dla cienkiego piezoelektryka sferyczny podwodny przetwornik akustyczny , jego częstotliwość rezonansowa w powietrzu. Można zauważyć, że częstotliwość rezonansowa cienkiej piezoelektrycznej sferycznej powłoki to tylko jej średni promień r i gęstość materiału s, moduł Younga Y E11. Jest to powiązane ze współczynnikiem Poissona, co jest równoważne uproszczeniu do sferycznej powłoki z izotropowo sprężystego materiału. Można zauważyć, że przy określaniu materiału piezoelektrycznego im większy średni promień r powłoki kulistej, tym wyższy punkt rezonansu i szersze pasmo robocze. W wodzie, ze względu na zwiększoną impedancję promieniowania piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną, jego częstotliwość rezonansowa będzie nieco niższa niż częstotliwość rezonansowa w powietrzu. Kiedy piezoelektryczny hydrofon sferyczny jest używany do odbioru niskich częstotliwości, aby zapewnić płaskość jego czułości, jego częstotliwość robocza jest daleko od częstotliwości rezonansowej. W inżynierii ogólnie wymagane jest, aby częstotliwość rezonansowa była co najmniej 5-krotnością górnej częstotliwości granicznej jego pracy.

 

 

 

2 Analiza odporności na ciśnienie piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną

 

Rodzaje uszkodzeń konstrukcji odpornych na ciśnienie obejmują głównie uszkodzenie wytrzymałości, uszkodzenie sztywności, uszkodzenie stabilności i uszkodzenie spowodowane korozją. W przypadku hydrofonów o dużej głębokości obciążeniem, które przenosi, jest głównie zewnętrzne ciśnienie wody, a tryby awarii to głównie awarie wytrzymałościowe i awarie stabilności. Poniżej omówiono dwie sytuacje awaryjne piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną.

 

2.1 Analiza uszkodzeń wytrzymałościowych

Uszkodzenie wytrzymałościowe oznacza zjawisko polegające na nieodwracalnym odkształceniu lub pęknięciu, gdy maksymalne naprężenie w pojemniku przekroczy granicę plastyczności, powodując utratę nośności pojemnika. Zaburzeniu wytrzymałości odpowiada maksymalne dopuszczalne ciśnienie piezoelektrycznego przetwornika z kulistą powłoką. Zgodnie z teorią wolnej od momentu obrotowej powłoki, pod działaniem ciśnienia zewnętrznego p, kulista powłoka będzie wytwarzać osiowe naprężenie rozciągające z i obwodowe naprężenie rozciągające, przy czym oba mają tę samą wartość. Wśród nich D0 znajduje się poza sferyczną średnicą powłoki, jednostką jest mm; to grubość kulistej powłoki, jednostką jest mm. Zgodnie z teorią maksymalnego naprężenia głównego należy spełnić wymagania konstrukcji odpornej na ciśnienie. Wśród nich jest dopuszczalne naprężenie. Zgodnie z normą krajową GB 150.3 obowiązującą w moim kraju, dla granicy plastyczności materiału w normalnej temperaturze Rel współczynnik bezpieczeństwa wynosi ns = 1:5. Granica plastyczności w normalnej temperaturze piezoelektrycznego materiału ceramicznego P-51 użytego w piezoelektrycznej powłoce kulistej wynosi Rel = 137:9 MPa, zatem dopuszczalne naprężenie materiału [] = Rel/ns = 91:9 MPa. Zastępując parametr t, można otrzymać maksymalne dopuszczalne ciśnienie piezoelektrycznego przetwornika z kulistą powłoką, ponieważ łatwo wiedzieć, że im większy jest stosunek t grubości kulistej powłoki do średnicy zewnętrznej, tym większa jest wytrzymałość piezoelektrycznej kulistej powłoki i jej odporność na ciśnienie.

 

2.2 Analiza uszkodzeń stateczności

Zaburzenie stabilności odnosi się do zjawiska polegającego na tym, że pojemnik przechodzi ze stabilnego stanu równowagi w inny stan niestabilny pod wpływem zewnętrznego obciążenia, a jego kształt zmienia się nagle i traci swoją normalną zdolność do pracy. Zaburzeniu stabilności odpowiada dopuszczalne ciśnienie krytycznej niestabilności piezoelektrycznego przetwornika z kulistą powłoką. Zgodnie z teorią małych odkształceń, krytyczne ciśnienie niestabilności pcr kulistej powłoki pod wpływem siły zewnętrznej obarczone jest dużym błędem dla tego wzoru, dlatego do kompensacji często stosuje się duży współczynnik bezpieczeństwa. Zgodnie z GB 150.3 współczynnik bezpieczeństwa stabilności przyjmuje się jako m = 14:25, zatem dopuszczalne ciśnienie krytyczne dla niestabilności obwodowej [p] = pcr/m. Zastępując w ten sam sposób parametr t, łatwo jest poznać dopuszczalne ciśnienie krytyczne dla niestabilności obwodowej piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną. Po określeniu materiału piezoelektrycznego im większy stosunek t grubości sferycznej skorupy do średnicy zewnętrznej, tym większe ciśnienie. Stabilność i odporność na ciśnienie elektrycznej skorupy kulowej są silniejsze.

 

3 Symulacja elementów skończonych

Z powyższej analizy wynika, że ​​dla czułości i częstotliwości roboczej piezoelektrycznej powłoki kulistej im większa średnica zewnętrzna, tym cieńsza, tym lepiej; a ze względu na odporność na ciśnienie im mniejsza średnica zewnętrzna, tym grubsza grubość. to jest dobre. Oznacza to, że właściwości akustyczne i odporność na ciśnienie są wzajemnie przeciwne. Biorąc pod uwagę wymagania dotyczące właściwości akustycznych i odporności na ciśnienie, a także trudność i koszt obróbki powłoki sferycznej (zwykle im większa średnica zewnętrzna, tym większa grubość, tym większa trudność obróbki i wyższy koszt), zewnętrzny promień projektowanej skorupy sferycznej b = 15 mm, grubość = 3 mm. Materiał piezoelektryczny zastosowany w powłoce kulistej to P-51, jego współczynnik piezoelektryczny g33 = 25:6 10 3 V m/N, g31 = 9: 6 10 3 V m/N, gęstość s = 7600 kg/m3, moduł Younga Y E11 = 6:0 · 1010 Pa, współczynnik Poissona = 0:36.

 

3.1 Symulacja właściwości akustycznych piezoelektrycznej powłoki kulistej

W celu sprawdzenia poprawności analizy charakterystyk odbioru akustycznego piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną do modelowania i symulacji wykorzystuje się metodę analizy elementów skończonych oraz program symulacyjny COMSOL5.4.

 

3.1.1 Symulacja czułości odbioru

Najpierw utwórz trójwymiarowy model struktury powłoki sferycznej. Aby uprościć geometrię modelowania i przyspieszyć rozwiązanie, model tworzy jedynie piezoelektryczne powłoki sferyczne o wielkości 1/8 i wykorzystuje wiązania symetrii 3 płaszczyzn, aby uzyskać kompletną powłokę kulistą. Utwórz układ współrzędnych polaryzacji promieniowej materiału piezoelektrycznego we współrzędnych sferycznych i wykorzystaj parametry materiałowe materiału piezoelektrycznego P-51. Ustaw obciążenie graniczne na ciśnienie 0,1 MPa na powierzchni zewnętrznej i brak ciśnienia na powierzchni wewnętrznej. Przeprowadzając analizę w dziedzinie częstotliwości, rozwiązuje się go jako problem stanu ustalonego. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki symulacji rozkładu potencjału kulistej powłoki piezoelektrycznej poddawanej działaniu ciśnienia o częstotliwości 500 Hz i ciśnieniu 0,1 MPa.

Podstawiając do wzoru wielkość i parametry materiałowe kulistej powłoki piezoelektrycznej, można otrzymać teoretyczny obwód otwarty pod wpływem ciśnienia akustycznego o niskiej częstotliwości wynoszącego 0,1 MPa

Napięcie wyjściowe wynosi 11,646 V. Z rysunku 2 wynika, że ​​gdy kulista powłoka piezoelektryczna zostanie poddana działaniu ciśnienia akustycznego o wartości 0,1 MPa przy 500 Hz, wynik symulacji jej napięcia wyjściowego wynosi 11,632 V, co jest zgodne z wartością teoretyczną. W tym momencie jego czułość wynosi 198,7 dB przy 500 Hz (0 dB = 1 V/Pa).

 

3.1.2 Symulacja częstotliwości rezonansowej

W poniższym przykładzie zastosowano również metodę symulacji elementów skończonych w celu symulacji częstotliwości rezonansowej piezoelektrycznej ceramicznej powłoki kulistej, a pasmo częstotliwości symulacji wynosi 1 Hz/200 kHz. W pierwszej kolejności materiał piezoelektrycznej powłoki sferycznej upraszcza się do postaci izotropowo elastycznego materiału, przeprowadza się na nim analizę przemiatania częstotliwości, a krzywą odpowiedzi częstotliwościowej jej odkształcenia pokazano na rysunku 3. Zgodnie ze wzorem (3) częstotliwość rezonansowa fa piezoelektrycznej sferycznej powłoki w powietrzu wynosi 58,557 kHz. Z rys. 3 widać, że symulowana wartość częstotliwości rezonansowej wynosi 58,9 kHz, co jest w zasadzie zgodne z wartością teoretyczną. Należy zauważyć, że wzór (3) jest jedynie uproszczonym obliczeniem dla izotropowej cienkiej sferycznej powłoki, a materiał piezoelektrycznej kulistej powłoki nie jest izotropowy, a grubość jest stosunkowo gruba, bezpośrednie zastosowanie wzoru (3) będzie obarczone pewnymi błędami. Po podstawieniu pełnych parametrów ceramiki piezoelektrycznej, krzywa odpowiedzi częstotliwościowej czułości na napięcie obwodu otwartego jest pokazana na rysunku 4. Z rysunku 4 wynika, że ​​w paśmie częstotliwości 1 Hz 10 kHz krzywa czułości piezoelektrycznej sferycznej powłoki jest bardzo płaska, z czułością 198,7 dB, co jest zgodne z analizą teoretyczną. Częstotliwość rezonansowa wynosi 72,1 kHz, czyli jest nieco większa niż wynik obliczeń wzoru (3), ale nie wpływa to na ważność wzoru w zastosowaniach inżynierskich. Ponieważ nie można uzyskać odpowiedniego współczynnika tłumienia materiału piezoelektrycznego, współczynnik strat matrycy elastyczności i współczynnik strat matrycy piezoelektrycznej w modelu przyjmuje się na 0, co prowadzi do symulacji, że czułość piezoelektrycznej powłoki sferycznej przy częstotliwości rezonansowej wynosi 155 dB, w rzeczywistości czułość powinna być mniejsza od tej wartości.

3.2 Symulacja odporności na ciśnienie kulista powłoka piezoelektryczna

Teoretyczny wzór obliczeniowy oporu ciśnieniowego w sekcji 2 jest uproszczonym wzorem podsumowanym dla wygody zastosowań inżynierskich i rzeczywistej kulistej powłoki piezoelektrycznej. Otwory zostaną otwarte ze względu na potrzeby instalacyjne, co może spowodować, że rzeczywista zdolność ciśnieniowa będzie niezgodna z teoretycznymi wynikami obliczeń. Aby jak najdokładniej uzyskać zdolność ciśnieniową piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną, przeprowadzono odpowiednio symulację statyczną konstrukcji i symulację wyboczenia wartości własnej za pomocą oprogramowania do analizy elementów skończonych Workbench.

 

3.2.1 Symulacja statyczna konstrukcji

Strukturalna symulacja statyczna może uzyskać rozkład naprężeń w całej konstrukcji, gdy konstrukcja jest obciążona. Dlatego maksymalne dopuszczalne naprężenie znanego materiału wynosi

Można symulować maksymalne dopuszczalne ciśnienie, jakie może wytrzymać. Ustalany jest trójwymiarowy model powłoki sferycznej, a w modelu powłoki sferycznej wyznaczane są otwory montażowe. Przyjmij kulistą powłokę

Do podziału siatki stosuje się metodę sześciokątną, na powierzchni cylindrycznej i dolnej płaszczyźnie otworu montażowego ustawia się wsporniki rolkowe, a na zewnętrzną powierzchnię piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną przykładany jest nacisk.

Stale zmieniaj wielkość ciśnienia i przeprowadzaj na nim statyczną analizę strukturalną. Symulacja wykazała, że ​​gdy ciśnienie przyłożone do zewnętrznej powierzchni osiągnie 28 MPa, piezoelektryk

Maksymalne naprężenie sferycznej powłoki wynosi 151 MPa, a rozkład jej naprężeń pokazano na rysunku 5 (w celu ułatwienia obserwacji naprężeń wewnętrznych piezoelektryczna sferyczna powłoka jest cięta wzdłuż linii środkowej, aby pokazać

Pokazywać). Należy zaznaczyć, że maksymalne naprężenia występują jedynie na linii granicznej zaokrąglenia na otworze montażowym, natomiast w pozostałych pozostałych miejscach maksymalne naprężenia są od tego mniejsze

Bezpieczne dopuszczalne naprężenie materiału piezoelektrycznego wynosi 91,9 MPa, więc zgodnie z symulacją maksymalne dopuszczalne ciśnienie kulistej powłoki piezoelektrycznej może osiągnąć 28 MPa. I korzeń

Zgodnie ze wzorem (6) maksymalne dopuszczalne ciśnienie piezoelektrycznego przetwornika z powłoką kulistą można uzyskać jako 36,8 MPa. Można zauważyć, że wytrzymałość na ściskanie powłoki kulistej po perforacji jest mniejsza niż pełnej

Teoretyczna wytrzymałość całej powłoki kulistej. W symulacji zjawisko koncentracji naprężeń występujące w kilku miejscach przy otworze montażowym przekracza naprężenie dopuszczalne bezpieczne, a to, czy ma to wpływ na wytrzymałość ciśnieniową kulistej powłoki piezoelektrycznej, pozostaje do sprawdzenia w próbie ciśnieniowej.

 

3.2.2 Symulacja wyboczenia wartości własnej

Symulacja wartości własnej wyboczenia umożliwia uzyskanie postaci wyboczenia konstrukcji cienkościennych i odpowiadających im krytycznych nacisków wyboczeniowych. Na zewnętrzną powierzchnię piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną przykładano nacisk 1 MPa i przeprowadzono analizę wartości własnej wyboczenia. Wyniki symulacji pokazują, że na rys. 6 pokazano postać wyboczenia pierwszego rzędu, a liczbę falową pierwszego rzędu n = 4, co jest zgodne z charakterystyką niestabilności powłoki sferycznej. Współczynnik obciążenia wyboczeniowego pierwszego rzędu wynosi 3379, więc jego obciążenie krytyczne pierwszego rzędu wynosi 3379 MPa. Ponieważ pierwszy rząd jest najniższą wartością obciążenia wyboczającego, oznacza to, że piezoelektryczna struktura sferyczna nie będzie stabilna, dopóki ciśnienie teoretyczne nie osiągnie 3379 MPa. Zgodnie ze wzorem (7) ciśnienie krytyczne niestabilności obwodowej piezoelektrycznego przetwornika z powłoką sferyczną można otrzymać na poziomie 2970 MPa, co jest w zasadzie zgodne z wynikami symulacji. Wyniki symulacji elementów skończonych pokazują, że maksymalne dopuszczalne ciśnienie piezoelektrycznego przetwornika z kulistą powłoką wynosi 28 MPa, a jego krytyczne ciśnienie wyboczeniowe wynosi 3379 MPa, co oznacza, że ​​wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego piezoelektryczna powłoka sferyczna ulega zmianom. Pierwszym wystąpieniem urządzenia energetycznego jest zanik wytrzymałości, co pokazuje również, że jego bezpieczna głębokość napięcia wytrzymywanego wynosi 2800 m.

 

4 Opracowanie i badanie działania hydrofonu o ciśnieniu sferycznym

4.1 Opracowanie sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie

W tym artykule mamy do czynienia z promieniowo spolaryzowanym podłożem powietrznym piezoelektryczny przetwornik z powłoką sferyczną , a także zaprojektowano i wykonano sferyczny hydrofon odporny na ciśnienie. Jako akustyczny czujnik odbiorczy zastosowano Zewnętrzny promień piezoelektrycznej kulistej powłoki zastosowanej w sferycznym hydrofonie odpornym na ciśnienie wynosi 15 mm, grubość kulistej powłoki wynosi 3 mm, a piezoelektryczny materiał ceramiczny zastosowany w kulistej powłoce to P-51. Wnętrze kulistej powłoki piezoelektrycznej stanowi wnęka, a najbardziej zewnętrzna warstwa jest pokryta warstwą przepuszczającej dźwięk gumy w celu izolacji, uszczelnienia i ochrony. Grubość gumy dźwiękoprzepuszczalnej wynosi 3 mm. Obiekt fizyczny sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie. Średnica całego hydrofonu wynosi 36 mm.

 

 

4.2 Próba działania hydrofonu o ciśnieniu sferycznym

 

4.2.1 Test czułości odbioru

Gotowy sferyczny hydrofon odporny na ciśnienie umieszcza się w rurze z falą stojącą i metodą porównawczą bada się jego czułość odbioru niskich częstotliwości w obwodzie otwartym. Odporny na piłki

Hydrofon ciśnieniowy i hydrofon standardowy zawieszane są jednocześnie na tej samej wysokości w rurze z falą stojącą, zmieniając częstotliwość emisji źródła dźwięku lampy z falą stojącą i rejestrując oba jednocześnie

Dzięki metodzie porównania czułość odbioru sferyczny hydrofon odporny na ciśnienie . otrzymuje się Zastosowana lampa z falą stojącą może wytwarzać tylko kombinację 50 1000 Hz

Siatka fali stojącej, więc pasmo częstotliwości pomiaru tym razem wynosi 50 1000 Hz. Zmierzone wyniki krzywej czułości sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie przedstawiono na rysunku 8

Wynik testu pokazuje, że czułość sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie w paśmie częstotliwości 50 1000 Hz wynosi około 198,4 dB, co jest w zasadzie zgodne z wartością teoretyczną. W

W zakresie 50 1000 Hz wahania czułości nie przekraczają 0,5 dB. Lampę z falą stojącą można skalibrować tylko poniżej 1 kHz. Dla zakresu częstotliwości od 1 kHz do 10 kHz pomiar przeprowadza się w zbiorniku bezechowym. Umieść gotowy hydrofon sferyczny odporny na ciśnienie i hydrofon standardowy w tym samym miejscu zbiornika bezechowego, użyj źródła dźwięku do odtwarzania sygnałów o pojedynczej częstotliwości o różnych częstotliwościach i użyj metody porównania, aby zakończyć pomiar czułości odbioru. Zmierzone wyniki krzywej czułości hydrofonu sferycznego odpornego na ciśnienie dla częstotliwości 1 kHz i 10 kHz przedstawiono na rys. 9. Z wyników badań wynika, że ​​czułość hydrofonu sferycznego odpornego na ciśnienie w paśmie częstotliwości 1 kHz i 10 kHz wynosi około 198 dB, co jest w zasadzie zgodne z wartością teoretyczną. W zakresie od 1 kHz do 10 kHz wahania czułości nie przekraczają 1,4 dB.

 

4.2.2 Test szumu własnego

 

Aby hydrofon mógł odbierać słabe sygnały dźwiękowe, hydrofon musi mieć niższy równoważny szum własny. Hydrofon sferyczny

Umieszczony jest w zbiorniku próżniowym z ekranowaniem elektromagnetycznym, tłumieniem i redukcją drgań, a test szumów własnych przeprowadzany jest na karcie akwizycji sygnału BK-3050 o wyjątkowo niskim poziomie szumów.

Równoważne widmo szumu własnego sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie pokazano czerwoną linią ciągłą na ryc. 10. Czarna linia przerywana na ryc. 10 to najwcześniejsze badania nad hałasem oceanicznym. Poziom widma szumu tła oceanu na poziomie 0 podsumował Kundson [9]. Zgodnie z krzywą Kundsona, szum tła oceanu w stanie morza 0. Poziom widma dźwięku wynosi około 44 dB przy 1 kHz. Należy zaznaczyć, że dane te stanowią wynik badań przeprowadzonych w 1948 r. W ostatnich latach jako żegluga światowa

Wraz z szybkim rozwojem hałas tła oceanicznego rośnie z roku na rok. Niebieska przerywana linia na rysunku 10 przedstawia poziom widma szumu tła Morza Południowochińskiego w 2013 r. przy warunkach morza na poziomie 0. Linia , można zauważyć, że równoważny poziom widma szumu własnego sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie jest niższy lub równy stanowi stanu morza na poziomie 0 w zakresie 10 1500 Hz. Szum sceny jest nieco wyższy niż szum tła oceanu w stanie morza na poziomie 0 w zakresie 1500 5000 Hz. Jego równoważne widmo szumu własnego przy 1000 Hz. Poziom wynosi 46,5 dB.

 

4.2.3 Test wytrzymałości napięciowej

Aby sprawdzić wytrzymałość ciśnieniową sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie , próbkę sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie umieszczono w autoklawie w celu przeprowadzenia próby ciśnieniowej. Aby zapewnić bezpieczeństwo, system testowy jest pod ciśnieniem wody pod wysokim ciśnieniem. Zgodnie z poprzednią analizą jego bezpieczna odporność na ciśnienie wynosi 28 MPa, czyli mniej niż 1,5-krotność współczynnika bezpieczeństwa

Uzyskany wynik, czyli teoretyczna wytrzymałość na ciśnienie maksymalne, wynosi 42 MPa. Aby zrównoważyć bezpieczeństwo i łatwość obsługi, tutaj zaokrąglono do

30 MPa do testów. Podczas próby należy najpierw zwiększyć ciśnienie do 30 MPa, utrzymać ciśnienie przez 3 godziny, spuścić ciśnienie i sprawdzić hydrofon; następnie ponownie zwiększyć ciśnienie do 30 MPa i powtórzyć test 3 razy. Podczas całego procesu zwiększania ciśnienia nie wystąpił żaden znaczący spadek ciśnienia. Po każdym zwiększaniu ciśnienia należy sprawdzić testowany hydrofon. Wygląd nie jest uszkodzony. Ważenie jest spójne przed i po badaniu. Następnie ponownie testuje się czułość w lampie z falą stojącą. Wynik testu pokazuje, że czułość jest w zasadzie taka sama jak czułość przed zwiększeniem ciśnienia. Dowodzi to, że może wytrzymać ciśnienie wody na poziomie 3000 m.

 

5 Wniosek

W tym artykule zastosowano kombinację wzoru teoretycznego i symulacji elementów skończonych, a struktura i materiał piezoelektrycznej powłoki sferycznej mają odporność na ciśnienie, a jako czuły element odbiorczy akustyczny zastosowano promieniowo spolaryzowany przetwornik piezoelektryczny z powłoką sferyczną z podkładem powietrznym. I wykonał sferyczny hydrofon odporny na ciśnienie. Średnica sferycznego hydrofonu odpornego na ciśnienie wynosi 36 mm, pasmo częstotliwości roboczej 50 Hz 10 kHz, czułość niskich częstotliwości 198,4 dB, równoważny poziom widma szumu własnego 46,5 dB@1 kHz, a głębokość robocza 3000 m. Zastosowany w tym artykule schemat kulistej powłoki piezoelektrycznej z podłożem powietrznym uzyskał pewną odporność na ciśnienie pod warunkiem wysokiej czułości. Jeżeli głębokość oporu ciśnienia ma być stale zwiększana, trzeba kosztem utracić czułość. Rozwiązanie to umożliwia uzyskanie stosunkowo ograniczonej odporności na ciśnienie. Jeżeli hydrofon musi uzyskać większą odporność na ciśnienie (np. na pełną głębokość morza), lepiej wybrać rozwiązanie wypełnione olejem lub przelewowe.