Оптимальна конструкція сферичної оболонки співвібраційного векторного гідрофону (2)

Форма гідрофона стандартна Акустичний перетворювач сферичної форми . Сферична оболонка гідрофона складається з верхньої та нижньої півкуль. Зовнішній радіус двох півсфер дорівнює 36 мм, товщина стінки нижньої півкулі — 3 мм, а товщина стінки верхньої — 4 мм. Для осьового ущільнення посередині використовується гумове ущільнювальне кільце. Щоб мінімізувати якість частини оболонки, яка не витримує тиск, вибрано американське стандартне ущільнювальне кільце, тонше за національний стандарт, щоб зменшити ширину канавки для встановлення ущільнювального кільця. Верхня і нижня півсфери кріпляться різьбленням на сферичній оболонці, щоб не було необхідності збільшувати монтажне положення кріпильних болтів, а також зробити якомога меншою не несучу частину оболонки. Оскільки верхня і нижня півсфери скріплені нитками, положення двох півсфер під час затягування є випадковим. Таким чином, 4 отвори для пружинної підвіски рівномірно розподілені в центрі зовнішньої поверхні сферичної оболонки замість двох симетрично розподілених на двох напівсферичних оболонках. Отвір для підвіски петельної пружини. Нижню півсферу зробіть трохи більше, а верхню трохи менше, щоб всі отвори для ресорної підвіски в центрі знаходилися на нижній півсфері. У датчику вібрації використовується триосьовий п’єзоелектричний акселерометр. У центрі сферичної оболонки через кронштейн встановлений акселерометр, а з іншого боку кронштейна – схема формування сигналу. Зауважте, що цей 'центр' також розташований у нижній напівсферичній оболонці, тому коли обидві півкулі затягуються, незалежно від того, який кут між верхньою та нижньою півкулями, це не вплине на вирівнювання акселерометра з напрямком отвору для підвіски. Після завершення складання центр ваги всього векторного гідрофона повинен збігатися з центром сферичної оболонки. підводний акустичний перетворювач, наскільки це можливо. Положення центру тяжіння гідрофона на малюнку 1 автоматично розраховане програмним забезпеченням для 3D-моделювання, і воно розташоване в геометричному центрі векторного гідрофону. Слабкою зоною розробленої стійкої до тиску сферичної оболонки є з’єднання між канавкою ущільнювального кільця та сферичною оболонкою та отвором проколюючої частини. Для з’єднання між канавкою ущільнювального кільця та сферичною оболонкою додайте велике скруглення, щоб зробити перехід плавним, щоб зменшити концентрацію напруги. Для отвору прошивної частини, з одного боку, збільште товщину стінки отвору, щоб збільшити міцність стінки отвору, з іншого боку, додайте великі круглі кути на переході між стінкою отвору та внутрішньою поверхнею сферичної оболонки, а також на переході між стінкою отвору та зовнішньою поверхнею сферичної оболонки. Збільште матеріал, щоб згладити перехід і зменшити концентрацію напруги. Щоб компенсувати проблему зниження міцності, спричинену відкриттям верхньої напівсферичної оболонки, товщину верхньої напівсферичної оболонки в цілому було збільшено на 1 мм. Крім того, стійкі до тиску сталеві болти, які використовуються для прокладки через склад, мають вищу міцність, еквівалентну суцільним болтам, і підтримують різьбові отвори.

 

4.5 Моделювання характеристик стійкої до тиску оболонки векторного гідрофону

З рисунка 1 видно, що розроблена стійка до тиску сферична оболонка векторного гідрофону більше не є ідеальною сферичною оболонкою. Найбільший вплив на стійкість до тиску має відкриття більшого різьбового отвору у верхній півсфері. Вплив отвору збільшив товщину верхньої півсфери на 1 мм. Ці зміни не були теоретично розраховані. Нижче використовується метод кінцевого елементного аналізу для виконання структурного статичного моделювання та моделювання вигину власного значення на тривимірній моделі сферичної оболонки векторного гідрофону, щоб перевірити, чи може розроблений векторний гідрофон витримувати зовнішній тиск 30 МПа. Використовується програмне забезпечення моделювання кінцевих елементів ANSYS Workbench.

 

4.5.1 Структурне статичне моделювання

Імпортуйте тривимірну цифрову модель векторну сферичну оболонку гідрофону в програмне забезпечення для моделювання кінцевих елементів, встановіть матеріал оболонки на алюмінієвий сплав 7075T6 і встановіть режим контакту між верхньою оболонкою та пробкою, а також між верхньою та нижньою оболонками для режиму зв’язування. Метод гексаедра використовується для сітки моделі, розмір сітки встановлено на функцію згинання, а максимальний розмір встановлено на 0,8 мм. Переміщення в напрямках x, y та z встановлені на 0 на верхній поверхні пробки, щоб обмежити переміщення моделі; обмеження циліндричної поверхні встановлюється на зовнішній циліндричній поверхні пробки, а тангенціальний напрямок фіксується для обмеження обертання та повороту моделі. Осьовий і радіальний вільний; прикладіть навантаження тиском 30 МПа до всіх зовнішніх поверхонь корпусу гідрофону (включаючи внутрішню поверхню канавки ущільнювального кільця) і виконайте структурний статичний аналіз. Розподіл інтенсивності напруги оболонки гідрофону, отриманий моделюванням, показаний на малюнку 2. Інтенсивність напруги вибрано для аналізу, оскільки це еквівалентна напруга на основі третьої теорії інтенсивності, результат безпечніший і підходить для аналізу посудини під тиском.

Інтенсивність напруги кільцевої опуклості, викликаної канавкою ущільнювального кільця в середині оболонки гідрофону (яку можна розглядати як кільце ребра жорсткості), невелика; значення моделювання інтенсивності напруги середньої частини верхньої та нижньої напівсферичних оболонок гідрофонної оболонки є найменшим, його значення менше 202,7 МПа, тут не враховуються розриви та концентрація напруги, його можна розглядати як основну загальну інтенсивність напруги плівки, відповідно до формули (6), теорії первинної загальної напруги плівки (тобто максимального основного напруження) тонкостінної сферична оболонка Розрахункове значення становить 187,8 МПа, що в основному відповідає результатам моделювання. Інтенсивність напружень на більшості ділянок внутрішньої поверхні верхньої та нижньої сферичних оболонок відносно велика і становить менше 243,2 МПа. Напруга в цій точці відноситься до основної напруги згину і відповідає межі менше ніж у 1,5 рази допустимої напруги. На стику нижньої напівсферичної оболонки та центрального кільцевого виступу є кільцева велика зона напруги, інтенсивність напруги становить близько 324,2 МПа, напруга тут є первинною напругою плюс вторинна напруга, і її значення менше ніж у 3 рази перевищує допустиму напругу, що відповідає проектним вимогам. Існують локальні концентрації напруги в місці, де верх верхньої напівсферичної оболонки контактує з пробкою, і в кількох місцях у канавці ущільнювального кільця. Максимальна напруга становить 405,2 МПа, яка відноситься до первинної напруги плюс вторинної напруги плюс пікової напруги. Ця напруга не вплине. Вплив руйнування міцності головним чином впливає на втомне руйнування оболонки під тиском. Тому сферична оболонка векторного гідрофону витримує зовнішній тиск 30 МПа без втрати міцності.

 

4.5.2 Моделювання вигину власного значення

Далі навантаження від тиску на зовнішню поверхню моделі сферичної оболонки гідрофону змінюється до 1 МПа, а на основі результатів структурно-статичного аналізу виконується аналіз вигину власного значення. Загальна деформація форми вигину першого порядку сферичної оболонки гідрофону показана на рисунку 3.

З рисунка 3 видно, що деформація в основному відбувається в нижній півкулі, оскільки чим тонша сферична оболонка, тим гірша стабільність. Коефіцієнт навантаження першого порядку на прогин дорівнює 680,35, тому значення критичного тиску нестабільності сферичної оболонки гідрофону при моделюванні становить 680,35 МПа, що трохи вище, ніж критичний тиск нестабільності по окружності, розрахований за формулою 611,6 МПа. Таким чином, сферична оболонка векторного гідрофону може витримувати зовнішній тиск 30 МПа без порушення стійкості.

 

4.6 Виробництво векторних гідрофонів

Верхня і нижня напівкулясті оболонки в векторний датчик гідрофона обробляються верстатами з ЧПУ. Матеріалом є алюмінієвий сплав 7075-T6, а поверхня анодована для утворення щільної оксидної захисної плівки для підвищення твердості поверхні та запобігання корозії морської води. Завершений ковібраційний сферичний векторний гідрофон показаний на малюнку 4. Після фактичного вимірювання його маса становить 274,7 г, а його щільність становить 1,40 × 103 кг/м3. Зовнішній радіус векторного гідрофону становить Ro=36 мм, і, підставляючи в рівняння (4), розмір цього гідрофону підтримує верхню межу його робочої частоти fmax=2653 Гц. Для зручності користування округліть верхню межу його робочої частоти до 3000 Гц. У цей час kRo=0,45239, співвідношення густини 0r / r =1,40, підставляючи рівняння (1) і (2) у рівняння (1) і (2), щоб отримати v/v0=0,77, максимальна різниця фаз становить лише 0,15 ° , що відповідає вимогам застосування.

 

5 Тест роботи векторного гідрофону

Щоб перевірити, чи відповідають акустичні характеристики та стійкість до тиску розробленого та виготовленого сферичного векторного гідрофона спільної вібрації вимогам, зразки гідрофонів поміщають у трубку стоячої хвилі для випробувань на чутливість і спрямованість, а випробування статичним тиском виконують в автоклаві.

 

5.1 Тест на чутливість

Чутливість тривісного п'єзоелектричного акселерометра, що використовується в ковібрації підводний векторний гідрофон у цій статті Ма=2500 мВ/г. Чутливість векторного гідрофона до швидкості вібрації зазвичай виражається еквівалентною чутливістю до звукового тиску у вільному полі Mp. Існує наступне співвідношення перетворення між Mp і Ma. Підставивши фактичне виміряне значення середньої щільності гідрофона в рівняння (3), можна отримати | v/v0|=0,7895, підставивши це значення в рівняння (16), можна отримати співвідношення між теоретичною еквівалентною чутливістю звукового тиску векторного гідрофону та частотою звукової хвилі, як показано чорною суцільною лінією на малюнку 5. При 500 Гц теоретична чутливість векторного каналу векторного гідрофону становить -187,4 дБ (0 дБ відношення 1В/мкПа, за винятком коефіцієнт підсилення вбудованого попереднього підсилювача гідрофону), що підвищує чутливість на 6 дБ на октаву. Чутливість векторного гідрофона до швидкості вібрації перевіряється в трубці зі стоячою хвилею за допомогою методу порівняння, а ефективна смуга частот трубки зі стоячою хвилею становить 100~1000 Гц. Результати вимірювань чутливості кожного каналу сферичного векторного гідрофона зі співвібрацією показано на малюнку 5 із червоними зірочками. Можна побачити, що виміряні криві чутливості трьох векторних каналів в основному узгоджуються з теоретичними кривими. Чутливість каналів X, Y і Z при 500 Гц становить -188,9, -188,1 і -187,6 дБ відповідно. Похибка узгодженості чутливості кожного векторного каналу в смузі частот вимірювання не перевищує 1,2 дБ; метод найменших квадратів використовується для визначення нахилу, що відповідає кривій чутливості трьох каналів, і максимальна різниця між даними чутливості трьох каналів і відповідним нахилом становить менше 0,8 дБ, тобто нестабільність рівня чутливості гідрофону становить менше 0,8 дБ; чутливість збільшується на 6 дБ на октаву, що узгоджується з теоретичною тенденцією.

 

5.2 Перевірка спрямованості

 

Три векторні канали співвібраційного сферичного векторного гідрофону теоретично повинні мати косинусну спрямованість незалежно від частоти. Метод обертання використовується для вимірювання спрямованості співвібраційного сферичного векторного гідрофону в трубці стоячої хвилі, а кутовий інтервал обертального випробування становить 0,4°. Була перевірена спрямованість каналів X, Y і Z на частотах 100, 500 і 1000 Гц відповідно. Результати показують, що канали X, Y і Z мають хорошу косинусну спрямованість у трьох частотних точках. Криві спрямованості каналів X, Y і Z при 500 Гц показані на малюнку 6. Можна побачити, що мінімальна глибина виїмки кривої спрямованості X-каналу становить 34,1 дБ, а мінімальна глибина виїмки кривої спрямованості Y-каналу становить 29,8 дБ. Мінімальна глибина піта кривої спрямованості каналу становить 38,9 дБ. Оскільки сигнал, створений звуковою хвилею на каналі, що підлягає вимірюванню, коли векторний гідрофон знаходиться у ввігнутій точці, надзвичайно малий, обертова система не зупиняється, коли тестова система працює, а механічна вібрація та шум обертової системи безпосередньо передаються вектору через пружину підвіски. На гідрофоні сигнал, що генерується на каналі, який потрібно виміряти, часто набагато більший, ніж акустичний сигнал, тому глибина ями, отримана в результаті вимірювання, набагато менша за фактичне значення. Незважаючи на це, найменша глибина виїмки в трьох векторних каналах досягає 29,8 дБ, що відповідає вимогам застосування.

 

5.3 Випробування витримуваної напруги

Випробування на статичний тиск співвібраційного сферичного гідрофону проводили в автоклаві. Відповідно до GB 150.1, для гідравлічного випробування зовнішньої ємності під тиском, 1,25-кратний розрахунковий тиск слід прийняти як випробувальний тиск. Розрахунковий тиск векторного гідрофону становить 30 МПа, тому максимальний тиск випробувального тиску встановлено 37,5 МПа. У ході випробування було змодельовано режим тиску ковзання гідрофона по профілю підводного планера. Спочатку тиск підвищували до 37,5 МПа при постійній швидкості, і тиск підтримували протягом півгодини, потім тиск повільно скидали, і тиск знову підвищували до 37,5 МПа при постійній швидкості, і цикл повторювався 5 разів. Не було раптового падіння тиску в автоклаві протягом усього процесу створення тиску. Зовнішній вигляд двох зразків гідрофонів до і після стиснення не був пошкоджений, вага була однаковою. Потім акустичні характеристики гідрофону були повторно перевірені в трубці стоячої хвилі. Результати випробувань показали, що гідрофон після придушення працював нормально, а його чутливість і спрямованість були в основному такими ж, як і до придушення. Доведено, що співвібраційний сферичний векторний гідрофон витримує тиск води 37,5 МПа.

 

6 Висновок

Відповідно до вимог стійкості до тиску та акустичних характеристик векторного гідрофону великої глибини, у цій статті запропоновано метод проектування сферичної оболонки з мінімальною середньою щільністю тиску співвібраційного сферичного векторного гідрофону, який має важливе теоретичне керівне значення для інженерної реалізації. Проаналізовано та розраховано типові глибоководні інженерні матеріали та обрано алюмінієвий сплав 7075T6 як матеріал для стійкої до тиску оболонки векторного гідрофону; прийнято метод конструювання стійкої до тиску сферичної оболонки з мінімальною середньою щільністю за допомогою теоретичних розрахунків і моделювання методом кінцевих елементів для визначення міцності та стабільності оболонки. Конструкція та реалізація векторного гідрофону спільної вібрації на великій глибині пройшли випробування тиском води 37,5 МПа; зовнішні розміри векторного гідрофону підтримують верхню межу його робочої частоти до 3000 Гц, а чутливість -188 дБ при 500 Гц, похибка узгодженості чутливості трьох каналів менше 1,2 дБ, а коливання чутливості менше 0,8 дБ. Спрямованість трьох каналів – ідеальна вісімка. У випадку механічного шуму обертання, глибина увігнутої точки також перевищує 29,8 дБ.