Projeto ideal da concha esférica do hidrofone de vetor de co-vibração (1)

Resumo: Com o objetivo do problema de pressão estrutural dos hidrofones vetores de águas profundas, é derivada a fórmula de tensão máxima da concha esférica de pressão externa e a influência dos materiais e dimensões da co-vibraçãohidrofone vetor esféricoSobre seu desempenho acústico e desempenho de pressão, é analisado aqui. Com base nisso, é fornecido um método de design de densidade mínima de densidade média resistente à pressão fina. Os materiais de engenharia do mar profundo típicos são estudados, o material da liga de alumínio é selecionado e é produzido um hidrofone de vetor esférico de co-vibração com uma profundidade de resistência à pressão projetada de 3000m. A estrutura resistente à pressão do hidrofone foi simulada pelo método dos elementos finitos, e sua sensibilidade, diretividade e capacidade resistente à pressão foram testadas. Os resultados mostram que o hidrofone vetorial possui uma boa diretividade de cosseno, a sensibilidade é de -188 dB a 500 Hz e pode suportar a pressão externa de 37,5mpa. Isso verifica o método de projeto e a engenharia da concha esférica de paredes finas de paredes finas mínimas, dada neste artigo. A racionalidade e viabilidade do design do protótipo

Introdução

ohidrofone de vetor de co-vibraçãopode medir as informações do vetor de velocidade de vibração no meio do campo de som e um hidrofone de vetor único pode completar a localização da direção do alvo acústico. Ele também tem as vantagens de tamanho pequeno, baixo consumo de energia, alta sensibilidade, banda de frequência moderada e é muito adequada para instalação em plataformas não tripuladas subaquáticas, como planadores subaquáticos e bóias de perfil para executar tarefas como detecção de alvo e monitoramento de ruído ambiental marinho. Atualmente, com o desenvolvimento da tecnologia resistente à pressão, a profundidade de trabalho de várias plataformas não tripuladas subaquática está aumentando, o que apresenta requisitos mais altos para a capacidade resistente à pressão dos hidrofones vetoriais. Os Estados Unidos, a Rússia e outros países desenvolveram hidrofones vetoriais com uma profundidade de trabalho de 5000 ~ 6000 m. Internamente, ainda está no estágio inicial da pesquisa. O hidrofone vetorial com uma profundidade de resistência à pressão de 1000 m foi feito usando resina epóxi e vidro composto composto de envasamento e enchimento de óleo de casca de metal. A sensibilidade e diretividade do hidrofone são insatisfatórias; O esquema de concha de camada dupla da concha compósita externa e a concha de liga de alumínio interna é usada para projetar um hidrofone vetorial com uma profundidade de resistência à pressão de 2000 m. Devido ao seu tamanho grande, seu limite superior de frequência é de apenas 1000 Hz; O hidrofone do vetor de co-vibração composto resistente à pressão foi projetado e fabricado com uma concha de metal coberta com uma concha de poliuretano. Teste de mergulho, a profundidade máxima de mergulho é de 1200 m. O projeto de um design de casca fino de liga de alumínio em forma de cápsula realiza um hidrofone de vetor de co-vibração com resistência à pressão de 20 MPa. Neste artigo, a teoria relevante do design dos vasos de pressão é aplicada ao design de um hidrofone de grande vetor de profundidade, e uma concha esférica de parede fina de uma camada única feita de materiais metálicos de alta resistência é diretamente usada como a concha resistente do vetor hidrofone. O processo desse esquema é relativamente simples e pode atingir uma grande profundidade de tensão de resistência. Nesse esquema, como selecionar o material da concha esférica e projetar o tamanho da concha esférica, para que o desempenho acústico do hidrofone vetorial possa ser melhorado o máximo possível na premissa de que o desempenho da resistência à pressão atende aos requisitos é a chave para o projeto da concha esférica de pressão do hidrofone vetorial.

1 Fatores de influência do desempenho acústico do hidrofone de vetor esférico co-vibração

Quando a co-vibraçãohidrofone vetor de baixa frequênciaFunciona no campo de som subaquático, ele vibrará sob a ação do campo de som. Defina sua velocidade de vibração como v. Além disso, defina a posição do centro geométrico original do hidrofone quando o hidrofone não for colocado no campo sonoro. Se a velocidade de vibração da partícula média for V0, a ​​pré -condição do seguinte relacionamento (3) pode ser expressa como a frequência da onda sonora FC 2πR. Pode-se ver da Equação (3) que quando o limite superior da frequência de trabalho do hidrofone de vetor esférico co-oscilante é muito menor que o OC 2πR, quanto menor a densidade média do hidrofone, menor a amplitude da velocidade da vibração V e a vibração do ponto de qualidade da água no campo sonoro. Quanto maior o valor absoluto da razão de amplitude da velocidade, maior a sensibilidade da velocidade de vibração do hidrofone e a diferença de fase entre a velocidade de vibração do hidrofone e a velocidade de vibração do ponto de qualidade da água se aproxima de zero. Como o hidrofone do vetor de co-vibração também é equipado com sensores de captação de vibração, circuitos de condicionamento de sinalização e outras estruturas adicionais, é difícil perceber que a densidade média do hidrofone do vetor é menor que a densidadeρ0 de água. A engenharia geralmente busca que a densidade média do hidrofone esteja próxima da densidade do meio de água. Nesse momento, o hidrofone pode captar a velocidade de vibração do ponto de qualidade da água no campo sonoro aproximadamente 1: 1, e o limite superior da frequência de trabalho do hidrofone pode ser a água vetorial da mesma vibração. O desempenho acústico do ouvinte inclui principalmente a sensibilidade, a diretividade e a faixa de frequência de trabalho. Quando a sensibilidade do sensor de captação de vibração interna é constante, a sensibilidade do hidrofone é determinada por sua densidade média. Quanto menor a densidade média, maior a sensibilidade do hidrofone. A diretividade de um hidrofone é determinada principalmente pela sensibilidade lateral do sensor de captação de vibração interna. A forma do hidrofone também afetará a diretividade. Quanto mais próximo o hidrofone estiver de uma forma esférica padrão, menor interferência ele terá na diretividade. Como o limite de frequência superior do sensor de captação de vibração interna é geralmente alto, o limite superior da banda de frequência de trabalho do hidrofone é geralmente determinado pelo raio externo do hidrofone. Quanto menor o raio externo, maior o limite superior da frequência de trabalho do hidrofone. Portanto, ao projetar a concha esférica resistente à pressão do hidrofone do vetor de co-vibração, a fim de maximizar o desempenho acústico do hidrofone, é necessário tornar a densidade média r da concha esférica o mais pequena possível sob a premissa de satisfazendo o desempenho resistente à pressão. Ao mesmo tempo, faça o raio externo o mais pequeno possível. O limite de frequência superior do hidrofone de vetor esférico co-vibração requer quanto menor o raio externo, melhor; A sensibilidade do hidrofone de vetor esférico co-vibração requer menor a menor densidade, melhor; Quanto menor o raio externo é quando o material e a espessura permanecem inalterados, a densidade média aumenta, o que é uma contradição. O desempenho da pressão do hidrofone de vetor esférico co-vibração requer quanto menor o raio externo, maior a espessura e, maior a resistência do material, melhor. Quanto menor o raio externo e maior a espessura, maior a densidade média, o que também é uma contradição. A resistência à pressão e o desempenho acústico do hidrofone de vetor esférico co-vibrando exigem que o projeto de sua concha esférica seja o menor possível (alta sensibilidade) e o raio externo o menor possível (limite superior de alta frequência) na premissa de alcançar o Requisitos de resistência à pressão), essas restrições se restringem. A seguir, estudará a relação entre o material, o raio externo e a espessura da concha esférica do hidrofone vetor esférico co-vibrando e sua resistência à pressão, sensibilidade e limite superior de alta frequência, a fim de encontrar o vetor com o melhor desempenho acústico em a premissa de satisfazer o desempenho da pressão. O esquema de projeto da concha esférica resistente à pressão do hidrofone.

2 Análise de falha da concha esférica de paredes finas sob pressão externa

Quando o hidrofone de vetor esférico co-vibração funciona normalmente subaquático, sua concha esférica resistente à pressão é submetida a pressão hidrostática externa. É um vaso de pressão externo. Sem considerar a falha da corrosão, existem dois modos de falha principal: falha de força e falha de estabilidade.

2.1 Falha de força

A falha de força significa que, quando a tensão máxima de um material em um vaso de pressão excede seu ponto de rendimento, o material muda da deformação elástica para a deformação plástica, resultando em deformação ou fratura irreversível. De acordo com a teoria máxima do tensão principal e o critério de falha elástica, se a concha esférica de pressão externa não tiver falha de força, a tensão máxima t deve ser menor ou igual à falha de força que o estresse permitido do material usado na concha esférica. No campo do projeto dos vasos de pressão, as pessoas usam a fórmula de tensão máxima ao projetar conchas esféricas de pressão externa. Esta fórmula é uma fórmula resumida da experiência de engenharia. O cálculo é simples, mas o pré-requisito para o seu estabelecimento é que a concha esférica é uma concha de parede fina, ou seja, é necessária RO/RI.≤1.35, onde RO é o raio externo da concha esférica e o RI é o raio interno. A solução obtida usando esta fórmula pertence à solução ideal local. Portanto, o estresse máximo da carcaça esférica de pressão externa é reerbivada. Seja P a pressão externa na concha esférica eδseja a espessura da concha esférica. De acordo com a teoria do momento livre da concha rotativa, a tensão radial dentro da concha esférica de paredes finas sob pressão externa é muito pequena, e apenas a tensão compressiva axial TZZ e a tensão compressiva circunferencial tθθsão considerados. Como a forma geométrica da concha esférica é simétrica em relação ao centro da esfera, a tensão compressiva axial e a tensão compressiva circunferencial são iguais em valor. Na seção que passa pelo centro da esfera, a força resultante da pressão externa p na seção da concha esférica é fs = pπRO2 e a área de seção transversal deo material da concha ss =π(RO2-RI2), então o Tzz e Tθθda concha esférica de pressão externa é a concha esférica a falha de força máxima permitida por pressão externa Pi deve atender

2.2 Falha na estabilidade

A falha de estabilidade refere -se à falha do vaso de pressão de um estado de equilíbrio estável a um estado instável sob a ação de uma carga externa e de repente perde sua forma geométrica original. Quando a espessura da concha esférica é muito fina, a falha da instabilidade geralmente ocorre antes da falha de força. Para uma concha esférica de paredes finas sob pressão externa, a fórmula de cálculo da pressão crítica da pressão de flambagem é derivada da teoria da pequena deformação, onde E é o módulo de Young do material da concha esférica e é a proporção de Poisson do material. O cálculo da pequena fórmula de pressão crítica teórica de deformação é relativamente simples, mas o erro é relativamente grande, que pode ser compensado por um fator de segurança maior m. GB 150.3 estipula m = 14,52. Em seguida, a pressão externa máxima permitida para a falha de estabilidade da concha esférica de paredes finas deve ser atendida.

3 Projeto de otimização da concha esférica resistente à pressão do hidrofone vetorial

A concha esférica resistente à pressão doTransdutor de hidrofone vetorialnão falha e precisa atender à pressão externa máxima permitida P = min (PI, PS). Além dos parâmetros do próprio material, a pressão externa máxima permitida P da concha esférica está relacionada apenas ao RI/RO. Defina uma variável x = ri/ro. É fácil saber que x é a razão do raio interno e externo da concha esférica, x∈ (0,1), essa variável é adimensional, quanto maior o x, mais fino a concha esférica. Após a tensão permitida t de um determinado material e a pressão externa máxima permitida P da concha esférica, o valor máximo de x de que a concha esférica atende aos requisitos de força é obtida, que é registrada como xi. Da mesma forma, o módulo E Young E, após a proporção de Poisson μ e a pressão externa máxima permitida P da concha esférica, o valor máximo de x de que o shell esférico atende aos requisitos de estabilidade pode ser obtido de acordo com a fórmula, que é registrada como Xs . O hidrofone de vetor esférico co-vibrando pode suportar água estática externa a função da pressão p sem falha, e a concha esférica resistente à pressão é necessária para atender às condições sem falha de força e falha de estabilidade ao mesmo tempo, e o valor máximo de X que atende aos requisitos ao mesmo tempo é x = min x, x (12) O XMAX é determinado posteriormente, a densidade média mínima da concha esférica pode ser obtida posteriormente. É fácil saber que o volume do material da concha esférica é VC = 4π (RO3-RI3)/3. A massa da concha esférica mC = ρvc, onde ρ é a densidade do material da concha esférica. O volume de água descarregado pela concha esférica é vs = 4πro3/3. Então a densidade média da concha esférica r é ρ é a densidade do material, que é uma constante positiva; O termo (1-x3) x∈ (0,1) é sempre um valor positivo e diminui monotonamente. A densidade média mínima da concha esférica que atende aos requisitos de pressão. Portanto, para obter o projeto ideal da concha esférica resistente à pressão do hidrofone do vetor de co-vibração, primeiro, os requisitos de pressão p e as propriedades do material devem ser substituídos na fórmula para calcular o XMAX; Substituir o XMAX na fórmula pode obter a densidade média mínima da concha esférica que atende aos requisitos de pressão. Assumindo a massa total do sensor de captação de vibração, o circuito de condicionamento de sinalização e outras estruturas adicionais dentro do hidrofone do vetor de co-vibração, o valor mínimo da densidade média do hidrofone é um certo valor; No caso em que o material da concha esférica e o requisito de resistência à pressão p são determinados abaixo, também é um valor definido. Para o hidrofone vetorial, RO determina o limite superior FMAX da frequência de trabalho do hidrofone vetorial. O limite superior da frequência de trabalho do hidrofone vetorial é selecionado e o raio externo RO da concha esférica do hidrofone vetorial é determinada. Em seguida, a densidade média mínima do hidrofone pode ser obtida e a sensibilidade à velocidade de vibração do hidrofone vetorial pode ser obtida. Da mesma forma, se a sensibilidade à velocidade da vibração do hidrofone vetorial for selecionada, a densidade média do hidrofone pode ser obtida de acordo com a equação (3), e o raio externo da concha esférica do hidrofone nesse momento pode ser obtida e a O vetor pode ser obtido o limite superior da frequência de trabalho do hidrofone. Através das etapas acima, podemos encontrar o material mais adequado e a solução ótima teórica dos parâmetros de tamanho, como o raio externo e a espessura da concha esférica resistente à pressão. E com base nos dados de tamanho básico do shell esférico resistente à pressão, o próximo design detalhado é realizado. Após a conclusão do projeto, o software de simulação de elementos finitos é usado para realizar análise de distribuição de tensão e análise de flambagem da concha projetada resistente à pressão para garantir que o shell não tenha falha de força e falha de estabilidade sob a pressão de projeto.

4 Exemplo de projeto de casca esférica resistente à pressão do hidrofone vetorial

Atualmente, a profundidade de trabalho dos planadores subaquáticos domésticos, bóias de perfil e outras plataformas não tripuladas subaquáticas atingiu o nível de 2000 m. Para fornecer uma certa margem de segurança, a profundidade da resistência à pressão do projeto do hidrofone é definida como 3000 m, ou seja, p = 30 MPa.

4.1 Otimização do material da concha

Primeiro, devemos selecionar o melhor material de metal para a concha esférica resistente à pressão do hidrofone do vetor de co-vibração. A Tabela 1 lista as propriedades mecânicas de vários materiais de engenharia de mar comumente usados, como 304, 316L de aço inoxidável, 6061T6, 7075T6 Alumínio, liga de titânio TC4 e latão H90. Pode haver pequenas diferenças nos valores relevantes dos materiais). Substituir os requisitos de pressão p e as propriedades de vários materiais na Tabela 1 na fórmula pode ser usada para obter esses materiais de engenharia que atendem aos requisitos de força do XI, os requisitos de estabilidade do XS e os dois XMAX; Substitua o XMAX obtido na fórmula, a densidade média mínima que pode ser alcançada por uma concha esférica feita de cada material que atenda aos requisitos de pressão pode ser obtido. Se um determinado material atender aos requisitos de força XI for menor que os requisitos de estabilidade XS, o material é transformado em uma bola que atenda aos requisitos de força no caso de uma concha, sua estabilidade é excedente; Da mesma forma, se o xi de um determinado material for maior que o XS, quando o material é transformado em uma concha esférica que atenda aos requisitos de estabilidade, sua força é um excedente. Quanto mais próximos os valores de xi e xs, mais equilibrada a força e a estabilidade da concha esférica feita desse material. Entre os vários materiais mostrados na Tabela 2, Xi da liga de titânio TC4 é maior que o XS, indicando que a força da concha esférica feita desse material é excedente quando atende aos requisitos de estabilidade. Exceto pelo TC4, o xi dos materiais restantes é todos menores que o XS, indicando que a estabilidade da concha esférica feita desses materiais é um excedente ao atender aos requisitos de força. Entre os materiais da Tabela 2, Xi e Xs de liga de alumínio 7075T6 e liga de titânio TC4 estão relativamente próximos, indicando que a força e a estabilidade da concha esférica feita desses dois materiais são relativamente equilibradas. Pode ser visto na Tabela 2 que, sob a premissa de atender à resistência à pressão de 30 MPa, entre os vários materiais de engenharia comumente usados ​​listados na tabela, a densidade média da concha esférica feita de liga de alumínio e liga de titânio TC4 pode alcançar um Densidade próxima ou menor que a da água, o que é consistente com os requisitos de projeto do hidrofone vetor esférico co-vibrando. Entre eles, o material da liga de titânio TC4 tem o maior XMAX, ou seja, a concha esférica mais fina resistente à pressão feita desse material. A concha esférica resistente à pressão feita de material 7075T6 pode atingir a menor densidade média, deixando a maior margem de massa para outras estruturas internas. Além disso, a liga de alumínio tem maiores vantagens que a liga de titânio TC4 em termos de custo do material e custo de processamento. Portanto, a liga de alumínio é o melhor material para fazer conchas esféricas resistentes à pressão do hidrofone vetorial.

4.2 Projeto de tamanho da concha esférica resistente à pressão

O material da liga de alumínio é selecionado para fazer uma concha esférica de hidrofone com uma resistência à pressão de 30 MPa e a densidade média mínima da concha esférica que atende aos requisitos de pressão é de 0,64 × 103 kg/m3 e x = 0,9177 neste momento. Se a sensibilidade à velocidade da vibração do hidrofone do vetor | v/v0 | é permitido para 0,8, o design real da concha esférica de hidrofone deve ser projetada em duas metades para facilitar a instalação de componentes internos. Supõe -se que as duas conchas hemisféricas do hidrofone sejam montadas a massa adicional do hidrofone medido, o acelerômetro, o suporte de montagem, o circuito de condicionamento de sinal e a câmara de penetração à luz usada no hidrofone real tem uma soma de massa de 99,5 g , então a soma da massa adicional me = 149,5 g. O raio externo RO = 36,48 mm da concha esférica do hidrofone é obtida. X = ri/ro = 0,9177, o raio interno da concha esférica ri = 33,48 mm, a espessura da concha esférica = 3,00 mm, para a conveniência de cálculo, desenho e processamento, o raio interno da concha esférica é arredondada Para 33 mm, o raio externo Ro é 36mm.

4.3 Verifique o desempenho da tensão de suporção

Após obter os dados de tamanho da concha esférica resistente à pressão, a fim de garantir que ele possa atender aos requisitos resistentes à pressão, o desempenho resistente à pressão é verificado e os dois casos de falha de força e falha de estabilidade são considerados principalmente.

4.3.1 Falha de força

Pode ser visto na Tabela 1 que a tensão permitida da liga de alumínio usada para a concha esférica é de 190 MPa, que é combinada com os parâmetros esféricos do tamanho da concha para obter a falha de força que a pressão permitida da concha esférica é de 30,4 MPa, o que é maior de 30 MPa, que atende aos requisitos de pressão.

4.3.2 Falha na estabilidade

A proporção de Poisson de liga de alumínio μ = 0,33, o módulo E = 7,2 × 1010 PA e o sistema de estabilidade m = 14,52. Substituindo os dados do material e o tamanho esférico da concha nas equações (8) e (9), a pressão crítica de instabilidade circunferencial PCR = 611,6 MPa é calculada e a pressão de instabilidade circunferencial permitida é de 42,1 MPa, maior que 30 MPa, que atende os requisitos de pressão. Pode-se observar que a concha esférica resistente à pressão do hidrofone do vetor pode suportar a pressão hidrostática externa de 30 MPa. E a pressão permitida para a instabilidade circunferencial é maior que a pressão permitida para a falha de força. Se a pressão continuar aumentando fora da concha esférica, o efeito de força acontecerá primeiro.

4.4 Projeto de engenharia da concha de pressão do hidrofone vetorial

Depois de determinar os dados básicos, como o material, o raio externo e a espessura da concha esférica resistente à pressão do hidrofone do vetor, o projeto detalhado da concha de hidrofone vetorial pode ser realizado. Este artigo usa o software de modelagem 3D para realizar o design auxiliar do hidrofone de vetor de co-vibração esférico de grande profundidade. A visão transversal da estrutura do hidrofone vetorial é mostrada na Figura 1.