Optimales Design der kugelförmigen Hülle von Co-Vibrationsvektorhydrophon (2)

Die Form des Hydrophons ist ein StandardSphärische Formakustikwandlerin. Die Kugelschale des Hydrophons besteht aus oberen und unteren Hemisphären. Der äußere Radius der beiden Hemisphären beträgt 36 mm, die Wanddicke der unteren Hemisphäre 3 mm und die Wanddicke der oberen Hemisphäre 4 mm. Ein Gummi-O-Ring wird zur axialen Versiegelung in der Mitte verwendet. Um die Qualität des nicht-druckhaltigen Teils der Schale zu minimieren, wird ein amerikanischer Standard-O-Ring, der dünner ist als der nationale Standard, ausgewählt, um die Breite der O-Ring-Installationsnut zu verringern. Die obere und untere Hemisphäre werden durch die Gewinde an der Kugelschale befestigt, sodass die Installationsposition der Befestigungsschrauben nicht erhöht werden muss, und es soll auch den nicht-druckhaltigen Teil der Hülle so klein wie klein machen wie möglich. Da die obere und untere Hemisphäre durch Gewinde befestigt sind, ist die Ausrichtungsposition der beiden Hemisphären beim Ziehen zufällig. Daher sind 4 Federsuspensionslöcher gleichmäßig in der Mitte der äußeren Oberfläche der kugelförmigen Hülle anstelle von zwei symmetrisch verteilten auf den beiden halbkugelförmigen Schalen verteilt. Schleifenfeder -Suspensionsloch. Machen Sie die untere Hemisphäre etwas größer und die obere Hemisphäre etwas kleiner, so dass sich alle Feder -Feder -Löcher in der Mitte auf der unteren Hemisphäre befinden. Der Vibrations-Pickup-Sensor verwendet einen dreiachsigen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser. Das Beschleunigungsmesser ist in der Mitte der Kugelschale durch eine Halterung installiert, und die Signalkonditionierungsschaltung ist auf der anderen Seite der Halterung installiert. Es ist zu beachten Richtung des Suspensionslochs. Nach Abschluss der Baugruppe sollte der Schwerpunkt des gesamten Vektorhydrophons mit dem Zentrum der kugelförmigen Hülle zusammenfallenUnterwasser akustischer Wandlerso viel wie möglich. Die Position des Schwerpunkts des Hydrophons in Abbildung 1 wird automatisch von der 3D -Modellierungssoftware berechnet und befindet sich im geometrischen Zentrum des Vektorhydrophons. Der schwache Bereich vonDie entworfene druckresistente kugelförmige Hülle ist die Verbindung zwischen der O-Ring-Rille und der kugelförmigen Hülle und der Öffnung des durchdringenden Teils. Fügen Sie für die Verbindung zwischen der O-Ring-Rille und der Kugelschale ein großes Filet hinzu, um den Übergang glatt zu machen, um die Spannungskonzentration zu verringern. Erhöhen Sie für die Öffnung des durchdringenden Teils einerseits die Dicke der Lochwand, um die Festigkeit der Lochwand andererseits zu erhöhen Die kugelförmige Schale und am Übergang zwischen der Lochwand und der äußeren Oberfläche der kugelförmigen Hülle erhöhen das Material, um den Übergang zu glätten und die Spannungskonzentration zu verringern. Um das durch das Öffnen der oberen hemisphärischen Hülle verursachten Festigkeitsreduktionsproblem zu kompensieren, wurde die Dicke der oberen Hemisphäre um 1 mM insgesamt erhöht. Darüber hinaus weisen die für das Routing durch das Lager verwendeten druckbeständigen Stahlschrauben eine höhere Festigkeit auf, entsprechen festen Schrauben und stützen die Gewindelöcher.

4.5 Leistungssimulation der druckresistenten Hülle von Vektorhydrophon

Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass die entworfene druckresistente kugelförmige Hülle des Vektorhydrophons keine ideale kugelförmige Hülle mehr ist. Der größte Einfluss auf die druckresistente Leistung ist die Öffnung eines größeren Gewindungslochs in der oberen Hemisphäre. Der Einfluss des Lochs hat die Dicke der oberen Hemisphäre um 1 mm erhöht. Diese Änderungen wurden theoretisch nicht berechnet. Im Folgenden wird die Methode der Finite-Elemente-Analyse verwendet, um strukturelle statische Simulation und Eigenwert-Knicksimulation auf dem dreidimensionalen Modell der vektorhydrophon-kugelförmigen Hülle durchzuführen, um zu überprüfen, ob das entworfene Vektorhydrophon einem externen Druck von 30 MPa standhalten kann. Die verwendete Finite -Elemente -Simulationssoftware ist ANSYS Workbench.

4.5.1 Strukturstatische Simulation

Importieren Sie das dreidimensionale digitale Modell derVektorhydrophon sphärischShell in die Finite -Elemente -Simulationssoftware, das Shell -Material auf 7075T6 -Aluminiumlegierung einstellen und den Kontaktmodus zwischen der oberen Schale und dem Stecker sowie zwischen dem oberen und der unteren Schalen an Bindungsmodus einstellen. Die Hexaheder -Methode wird verwendet, um das Modell zu verwandeln. Die Netzgröße wird auf eine Biegerfunktion eingestellt und die maximale Größe auf 0,8 mm eingestellt. Die Verschiebungen in den Richtungen x, y und z sind auf der oberen Oberfläche des Steckers auf 0 eingestellt, um die Übersetzung des Modells zu beschränken. Eine zylindrische Oberflächenbeschränkung wird auf die äußere zylindrische Oberfläche des Steckers eingestellt, und die tangentiale Richtung wird festgelegt, um die Drehung und Drehung des Modells zu begrenzen. Axial und radialfrei; Tragen Sie eine Drucklast von 30 MPa auf alle äußeren Oberflächen der Hydrophonschale (einschließlich der inneren Oberfläche der O-Ring-Rille) auf und führen Sie eine statische statische Analyse durch. Die durch Simulation erhaltene Spannungsintensitätsverteilung der Hydrophonhülle ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Spannungsintensität wird für die Analyse ausgewählt, da sie eine äquivalente Spannung basiert, die auf der dritten Intensitätstheorie basiert. Das Ergebnis ist sicherer und ist für die Druckbehälteranalyse geeignet .

Die Spannungsintensität der ringförmigen Ausbuchtung, die durch die O-Ring-Rille in der Mitte der Hydrophonschale (die als versteifender Rippenring angesehen werden kann) verursacht wird, ist klein; Der Wert der Spannungsintensitätssimulation des mittleren Teils der oberen und unteren Hemisphäre der Hydrophonschale ist der kleinste, sein Wert beträgt weniger als 202,7 MPa. Hier enthält keine Diskontinuität und Spannungskonzentration, sondern als primärer Gesamtfilm angesehen werden kann Die Spannungsintensität gemäß der Formel (6) ist die Theorie der primären Gesamtfilmspannung (dh der maximalen Hauptspannung) der dünnwandigen kugelförmigen Hülle der berechnete Wert 187,8 MPa, was im Grunde mit den Simulationsergebnissen übereinstimmt. Die Spannungsintensität in den meisten Bereichen der inneren Oberfläche der oberen und unteren kugelförmigen Schalen ist relativ groß und sein Wert beträgt weniger als 243,2 MPa. Der Stress an diesem Punkt gehört zur primären Biegespannung und erfüllt die Grenze von weniger als dem 1,5 -fachen der zulässigen Spannung. Am Übergang der unteren halbkugelförmigen Hülle befindet sich eine ringförmige große Spannungszone und der zentrale ringförmige Vorsprung, die Spannungsintensität beträgt ca. 324,2 MPa, die Spannung hier ist die Primärspannung und die Sekundärspannung und ihr Wert beträgt weniger als das Dreifache des Zulässiger Stress, der den Entwurfsanforderungen entspricht. An der Stelle gibt es lokale Spannungskonzentrationen, an denen sich die Oberseite der oberen Hemisphärenschale mit dem Stecker und einigen Stellen in der O-Ring-Rille in Kontakt hat. Die maximale Spannung beträgt 405,2 MPa, was zur Primärspannung sowie zur Sekundärspannung sowie der Spitzenspannung gehört. Dieser Stress beeinflusst den Einfluss des Festigkeitsfehlers nicht hauptsächlich das Ermüdungsversagen der Druckhülle. Daher kann die Kugelschale des Vektorhydrophons einem externen Druck von 30 MPa ohne Festigkeitsfehler standhalten.

4.5.2 Eigenwert -Knick -Simulation

Als nächstes wird die Druckbelastung auf der äußeren Oberfläche des Hydrophon -Kugelschalenmodells in 1 MPa geändert, und die Eigenwert -Knickanalyse wird auf der Grundlage der Ergebnisse der statischen statischen Analyse durchgeführt. Die Gesamtdeformation des Knickmodus erster Ordnung der Kugelschale des Hydrophons ist in Abbildung 3 dargestellt.

Aus Abbildung 3 ist ersichtlich, dass die Verformung hauptsächlich in der unteren Hemisphäre auftritt, da dünner die kugelförmige Hülle ist, desto schlechter die Stabilität. Der Knicklastfaktor erster Ordnung beträgt 680,35, so Daher kann die Kugelschale des Vektorhydrophons einem externen Druck von 30 MPa ohne Stabilitätsfehler standhalten.

4.6 Vektorhydrophonproduktion

Die obere und untere halbkugelförmige Schalen derVektorhydrophonsensorwerden von CNC -Werkzeugmaschinen verarbeitet. Das Material besteht aus einer Aluminiumlegierung von 7075-T6, und die Oberfläche wird anodiert, um einen dichten Oxid-Schutzfilm zu bilden, um die Oberflächenhärte zu verbessern und die Meerwasserkorrosion zu hemmen. Das abgeschlossene Ko-Vibrations-kugelförmige Vektorhydrophon ist in Abbildung 4 dargestellt. Nach der tatsächlichen Messung beträgt seine Masse 274,7 g und seine Dichte 1,40 beträgt 1,40×103 kg/m3. Der äußere Radius des Vektorhydrophons beträgt RO = 36 mm und ein Substitutieren in Gleichung (4), die Größe dieses Hydrophons stützt die Obergrenze seiner Arbeitsfrequenz fmax = 2653 Hz. Um die Obergrenze seiner Arbeitsfrequenz auf 3000 Hz zu erleichtern. KRO = 0,45239, Dichteverhältnis 0R / R = 1,40, Substitutierung von Gleichungen (1) und (2) in die Gleichungen (1) und (2), um V / V0 = 0,77 zu erhalten, beträgt die maximale Phasendifferenz nur 0,15 0,15°, was den Anforderungen an die Anwendungsanforderungen entspricht.

5 Vektorhydrophonleistungstest

Um zu prüfen, ob die akustische Leistung und den Druckwiderstand des entworfenen und hergestellten Co-Vibrations-kugelförmigen Vektorhydrophons die Anforderungen erfüllen der Autoklaven.

5.1 Empfindlichkeitstest

Die Empfindlichkeit des dreiachsigen piezoelektrischen Beschleunigungsmessers, der bei der Co-Vibration verwendet wirdUnterwasservektorhydrophonIn diesem Artikel ist MA = 2500 mV/g. Die Schwingungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit eines Vektorhydrophons wird im Allgemeinen durch die äquivalente MP-Schalldruckempfindlichkeit des freien Felddrucks ausgedrückt. Es gibt die folgende Konversionsbeziehung zwischen MP und MA. Das Ersetzen des tatsächlichen gemessenen Wertes der durchschnittlichen Dichte des Hydrophons in Gleichung (3) kann erhalten werden | v/v0 | = 0,7895, ersetzen diesen Wert in Gleichung (16). Die Beziehung zwischen der theoretischen äquivalenten Schalldruckempfindlichkeit des Vektorhydrophons und der Schallwellenfrequenz kann erhalten werden, wie die schwarze durchgezogene Linie in Abbildung 5 gezeigt 500 Hz, die theoretische Empfindlichkeit des Vektorkanals des Vektorhydrophons beträgt -187,4 dB (0 dB Re 1V/μPA, ausgenommen den Amplifikationsfaktor des eingebauten Vorverfolgers des Hydrophons), der die Empfindlichkeit um 6 dB pro Oktav erhöht. Die Schwingungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit des Vektorhydrophons wird in einem stehenden Wellenrohr unter Verwendung einer Vergleichsmethode getestet, und das effektive Frequenzband des Stehwellenrohrs beträgt 100 ~ 1000 Hz. Die gemessenen Ergebnisse der Empfindlichkeit jedes Kanals des kugelförmigen Vektorhydrophons der Co-Vibration sind in Abbildung 5 mit den roten Sternpunkten gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die gemessenen Kurven der Empfindlichkeit der drei Vektorkanäle im Grunde genommen mit den theoretischen Kurven übereinstimmen. Die Empfindlichkeiten der X-, Y- und Z -Kanäle bei 500 Hz betragen -188,9, -188,1 bzw. -187,6 dB. Der Empfindlichkeitskonsistenzfehler jedes Vektorkanals im Messfrequenzband überschreitet 1,2 dB nicht; Die kleinste Quadratmethode wird verwendet, um die von der Empfindlichkeitskurve der drei Kanäle angepasste Steigung zu finden, und die maximale Differenz zwischen den Empfindlichkeitsdaten der drei Kanäle und der entsprechenden Steigung beträgt weniger als 0,8 dB, dh die Empfindlichkeitsniveau -Instabilität von Das Hydrophon ist weniger als 0,8 dB; Die Empfindlichkeit steigt um 6 dB pro Oktave, was mit dem theoretischen Trend übereinstimmt.

5.2 Direktivitätstest

Die drei Vektorkanäle des co-vibrierenden kugelförmigen Vektorhydrophons sollten theoretisch unabhängig von der Frequenz eine Cosinusverzeichnis aufweisen. Die Rotationsmethode wird verwendet, um die Direktivität des co-Vibrations-kugelförmigen Vektorhydrophons im Stehwellenrohr zu messen, und das Winkelintervall des Rotationstests beträgt 0,4 °. Die Direktivität der X-, Y- und Z -Kanäle bei 100, 500 und 1000 Hz wurde jeweils getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die X-, Y- und Z -Kanäle an den drei Frequenzpunkten eine gute Cosinus -Direktivität aufweisen. Die Direktivitätskurven der x-, y- und z-Kanäle bei 500 Hz sind in Abbildung 6 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die minimale Grubentiefe der X-Kanal-Direktivitätskurve 34,1 dB beträgt und die minimale Grubentiefe der Y- Die Channel -Direktivitätskurve beträgt 29,8 dB. Die minimale Grubentiefe der Kanal -Direktivitätskurve beträgt 38,9 dB. Da das von der Schallwelle auf dem Kanal erzeugte Signal, das gemessen wird, wenn sich das Vektorhydrophon am konkaven Punkt befindet werden direkt durch die Suspensionsfeder an den Vektor übertragen. Auf dem Hydrophon ist das auf dem zu gemessene Kanal erzeugte Signal oft viel größer als das akustische Signal, sodass die durch die Messung erhaltene Tiefe der Grube viel flacher ist als der tatsächliche Wert. Trotzdem erreicht die kleinste Grubentiefe in den drei Vektorkanälen 29,8 dB, was die Anwendungsanforderungen entsprechen kann.

5.3 Spannungstest standhalten

Der statische Drucktest des co-vibrierenden kugelförmigen Hydrophons wurde im Autoklav durchgeführt. Laut GB 150.1 sollte für den Hydrauliktest eines externen Druckbehälters das 1,25 -fache des Entwurfsdrucks als Testdruck angenommen werden. Der Entwurfsdruck des Vektorhydrophons beträgt 30 MPa, so dass der maximale Druck des Drucktests auf 37,5 MPa eingestellt ist. Während des Tests wurde der Druckmodus des Hydrophons entlang des Profils des Unterwassergleiters simuliert. Zunächst wurde der Druck bei konstanter Geschwindigkeit auf 37,5 MPa erhöht, und der Druck wurde eine halbe Stunde lang beibehalten, dann wurde der Druck langsam freigesetzt, und der Druck wurde bei konstanter Geschwindigkeit erneut auf 37,5 MPa erhöht, und der Zyklus wurde wiederholt 5 mal. Während des gesamten Druckprozesses gab es keinen plötzlichen Druckabfall im Autoklaven. Das Aussehen der beiden Hydrophonproben vor und nach der Kompression wurde nicht beschädigt, und das Gewicht war gleich. Dann wurde die akustische Leistung des Hydrophons im stehenden Wellenrohr erneut getestet. Die Testergebnisse zeigten, dass das Hydrophon nach der Unterdrückung normal arbeitete und seine Empfindlichkeit und Richtfähigkeit im Grunde genommen gleich waren wie vor der Unterdrückung. Es ist nachgewiesen, dass das co-Vibrations-kugelförmige Vektorhydrophon 37,5 MPa Wasserdruck standhalten kann.

6 Schlussfolgerung

In Übereinstimmung mit den Anforderungen des Druckwiderstands und der akustischen Leistung eines großen Tiefenvektorhydrophons schlägt dieses Papier eine Entwurfsmethode für das minimale durchschnittliche Dichtedruck-Kugelschale einer ko-vibrierenden kugelförmigen Vektorhydrophons vor . Analysierte und berechnete typische Materialien für Tiefsee und wählte 7075T6-Aluminiumlegierung als Material für die druckresistente Hülle des Vektorhydrophons aus; Die minimale durchschnittliche Dichtedruckresistante kugelförmige Schalen-Entwurfsmethode durch theoretische Berechnungen und Finite-Elemente Drucktest; Die externen Abmessungen des Vektorhydrophons unterstützen die Obergrenze seiner Arbeitsfrequenz von bis zu 3000 Hz und die Empfindlichkeit beträgt -188 dB bei 500 Hz, der Empfindlichkeitskonsistenzfehler der drei Kanäle beträgt weniger als 1,2 dB und die Empfindlichkeitsschwankungen sind alle weniger als 0,8 dB. Die Direktivität der drei Kanäle ist eine ideale Abbildung acht. Bei mechanischen Drehräuschern ist der konkave Punkt die Tiefe auch höher als 29,8 dB.