Projeto ideal da concha esférica do hidrofone de vetor de co-vibração (2)

A forma do hidrofone é um padrãotransdutor acústico de forma esférica. A concha esférica do hidrofone é composta por hemisférios superior e inferior. O raio externo dos dois hemisférios é de 36 mm, a espessura da parede do hemisfério inferior é de 3 mm e a espessura da parede do hemisfério superior é de 4 mm. Um anel de borracha é usado para vedação axial no meio. Para minimizar a qualidade da parte que não tem pressão da concha, um anel de O americano mais fino que o padrão nacional é selecionado para reduzir a largura da ranhura de instalação do anel de O. Os hemisférios superior e inferior são presos pelos fios na concha esférica, de modo que não há necessidade de aumentar a posição de instalação dos parafusos de fixação, e também é para fazer a parte que não tem pressão da concha tão pequena quanto possível. Como os hemisférios superior e inferior são presos por fios, a posição de alinhamento dos dois hemisférios é aleatória ao apertar. Portanto, 4 orifícios de suspensão da mola são distribuídos uniformemente no centro da superfície externa da concha esférica, em vez de duas distribuídas simetricamente nas duas conchas hemisféricas. Hole de suspensão da mola de loop. Torne o hemisfério inferior um pouco maior e o hemisfério superior um pouco menor, de modo que todos os orifícios da suspensão da mola no centro estejam localizados no hemisfério inferior. O sensor de captação de vibração usa um acelerômetro piezoelétrico de três eixos. O acelerômetro é instalado no centro da concha esférica através de um suporte e o circuito de condicionamento de sinal é instalado no outro lado do suporte. Observe que este \"Center \" também está localizado na casca hemisférica inferior, de modo que, quando os dois hemisférios são apertados, independentemente do ângulo entre os hemisférios superior e inferior, não afetará o alinhamento do acelerômetro com o direção do orifício da suspensão. Após a conclusão da assembléia, o centro de gravidade de todo o hidrofone do vetor deve coincidir com o centro da concha esféricaTransdutor acústico subaquáticotanto quanto possível. A posição do centro de gravidade do hidrofone na Figura 1 é calculada automaticamente pelo software de modelagem 3D e está localizado no centro geométrico do hidrofone vetorial. A área fraca deA concha esférica resistente à pressão projetada é a conexão entre a ranhura O-ring e a concha esférica e a abertura da parte de piercing. Para a conexão entre a ranhura do anel de O e a concha esférica, adicione um filete grande para tornar a transição suave para reduzir a concentração de tensão. Para a abertura da parte penetrante, por um lado, aumente a espessura da parede do orifício para aumentar a força da parede do orifício, por outro lado, adicione grandes cantos redondos na transição entre a parede do orifício e a superfície interna de A concha esférica e na transição entre a parede do orifício e a superfície externa da concha esférica aumentam o material para suavizar a transição e reduzir a concentração de tensão. Para compensar o problema de redução de força causado pela abertura da concha hemisférica superior, a espessura da concha hemisférica superior foi aumentada em 1 mm como um todo. Além disso, os parafusos de aço resistentes à pressão usados ​​para rotear através do armazém têm maior resistência, equivalente a parafusos sólidos e apoiando os orifícios roscados.

4.5 Simulação de desempenho da concha resistente à pressão do hidrofone vetorial

Pode ser visto na Figura 1 que a concha esférica resistente à pressão projetada do hidrofone do vetor não é mais uma concha esférica ideal. O maior impacto no desempenho resistente à pressão é a abertura de um orifício de rosca maior no hemisfério superior. A influência do orifício aumentou a espessura do hemisfério superior em 1 mm. Essas mudanças não foram teoricamente calculadas. O seguinte utiliza o método de análise de elementos finitos para realizar simulação estática estrutural e simulação de flambagem autovalorizada no modelo tridimensional da concha esférica do hidrofone vetorial para verificar se o hidrofone vetorado projetado pode suportar uma pressão externa de 30 MPa. O software de simulação de elementos finitos usado é o ANSYS Workbench.

4.5.1 Simulação estática estrutural

Importar o modelo digital tridimensional doHidrofone vetorial esféricoShell no software de simulação de elementos finitos, defina o material da concha como liga de alumínio 7075T6 e defina o modo de contato entre a concha superior e o plugue e entre as conchas superior e inferior no modo de ligação, o método hexahedron é usado para combater o modelo, O tamanho da malha é definido como uma função de flexão e o tamanho máximo é definido como 0,8 mm. Os deslocamentos nas direções x, y e z são definidos como 0 na superfície superior do plugue para restringir a tradução do modelo; Uma restrição de superfície cilíndrica é ajustada na superfície cilíndrica externa do plugue, e a direção tangencial é fixada para limitar a rotação e a rotação do modelo. Livre axial e radial; Aplique uma carga de pressão de 30 MPa em todas as superfícies externas da casca de hidrofone (incluindo a superfície interna da ranhura do anel de O) e realize uma análise estática estrutural nela. A distribuição da intensidade do estresse da concha de hidrofone obtida pela simulação é mostrada na Figura 2. A intensidade do estresse é selecionada para análise porque é um estresse equivalente com base na terceira teoria da intensidade, o resultado é mais seguro e é adequado para análise de vasos de pressão .

A intensidade do estresse da protuberância anular causada pela ranhura do anel de O no meio da casca de hidrofone (que pode ser considerada como um anel nervoso rígido) é pequeno; O valor da simulação de intensidade do estresse da parte média das conchas hemisféricas superior e inferior da concha de hidrofone é a menor, seu valor é inferior a 202,7 MPa, aqui não inclui descontinuidade e concentração de tensão, pode ser considerada como o filme geral principal Intensidade do estresse, de acordo com a fórmula (6), a teoria do estresse geral do filme primário (ou seja, o estresse principal máximo) da concha esférica de paredes finas, o valor calculado é de 187,8 MPa, que é basicamente consistente com os resultados da simulação. A intensidade do estresse na maioria das áreas da superfície interna das conchas esféricas superior e inferior é relativamente grande e seu valor é inferior a 243,2 MPa. O estresse nesse ponto pertence ao estresse de flexão primário e atende ao limite de menos de 1,5 vezes a tensão permitida. Há uma zona de tensão grande anular na junção da casca hemisférica inferior e a protrusão anular central, a intensidade do estresse é de cerca de 324,2 MPa, o estresse aqui é o estresse primário mais o estresse secundário e seu valor é inferior a 3 vezes o estresse permitido, que atende aos requisitos de projeto. Existem concentrações de estresse local no local onde a parte superior da concha hemisférica superior está em contato com o plugue e alguns lugares na ranhura do anel de O. A tensão máxima é de 405,2 MPa, que pertence à tensão primária mais a tensão secundária mais o pico de tensão. Esse estresse não afetará o impacto da falha de força afeta principalmente a falha da fadiga da concha de pressão. Portanto, a concha esférica do hidrofone do vetor pode suportar uma pressão externa de 30 MPa sem falha de força.

4.5.2 Simulação de flambagem de autovalor

Em seguida, a carga de pressão na superfície externa do modelo de concha esférica de hidrofone é alterada para 1 MPa, e a análise de flambagem autovalorizada é realizada com base nos resultados da análise estática estrutural. A deformação total do modo de flambagem de primeira ordem da concha esférica do hidrofone é mostrada na Figura 3.

Pode ser visto na Figura 3 que a deformação ocorre principalmente no hemisfério inferior, porque quanto mais fina a concha esférica, pior a estabilidade. O fator de carga de flambagem de primeira ordem é de 680,35; portanto, o valor da simulação da pressão crítica da instabilidade da concha esférica de hidrofone é de 680,35 MPa, que é ligeiramente maior que a pressão crítica da instabilidade circunferencial calculada pela fórmula de 611,6 MPa. Portanto, a concha esférica do hidrofone do vetor pode suportar uma pressão externa de 30 MPa sem falha de estabilidade.

4.6 Produção de hidrofone vetorial

As conchas hemisféricas superior e inferiorSensor de hidrofone vetorialsão processados ​​por máquinas -ferramentas CNC. O material é de 7075-T6 liga de alumínio e a superfície é anodizada para formar um filme denso de protetor de óxido para melhorar a dureza da superfície e inibir a corrosão da água do mar. O hidrofone de vetor esférico de co-vibração completo é mostrado na Figura 4. Após a medição real, sua massa é 274,7 g e sua densidade é de 1,40×103 kg/m3. O raio externo do hidrofone do vetor é RO = 36 mm e substituindo a equação (4), o tamanho deste hidrofones suporta o limite superior de sua frequência de trabalho Fmax = 2653 Hz. Para facilitar o uso, arredonde o limite superior de sua frequência de trabalho a 3000 Hz. Neste momento, KRO = 0,45239, razão de densidade 0R / R = 1,40, substituindo as equações (1) e (2) nas equações (1) e (2) para obter v / v0 = 0,77, o máximo de diferença de fase é apenas 0,15°, que atende aos requisitos de inscrição.

5 Teste de desempenho de hidrofone vetorial

Para verificar se o desempenho acústico e a resistência à pressão do hidrofone de vetor esférico de co-vibração projetado e fabricado atende aos requisitos, as amostras de hidrofone são colocadas no tubo de onda em pé para testes de sensibilidade e diretividade, e o teste de pressão estática é realizado em a autoclave.

5.1 Teste de sensibilidade

A sensibilidade do acelerômetro piezoelétrico de três eixos usado na co-vibraçãoHidrofone vetorial subaquáticoNeste artigo, é MA = 2500 mV/g. A sensibilidade à velocidade de vibração de um hidrofone vetorial é geralmente expressa pela sensibilidade à pressão de som de campo livre equivalente MP. Existe a seguinte relação de conversão entre MP e MA. Substituindo o valor medido real da densidade média do hidrofone na equação (3) pode ser obtido | v/v0 | = 0,7895, substituindo esse valor na equação (16), a relação entre a sensibilidade teórica equivalente à pressão sonora do hidrofone do vetor e a frequência da onda sonora pode ser obtida, como mostrado pela linha sólida preta na Figura 5. AT 500 Hz, a sensibilidade teórica do canal vetorial do hidrofone vetorial é de -187,4 dB (0 dB de 1V/μPA, excluindo o fator de amplificação do pré -amplificador integrado do hidrofone), o que aumenta a sensibilidade em 6 dB de polva. A sensibilidade à velocidade de vibração do hidrofone vetorial é testada em um tubo de onda em pé usando um método de comparação, e a faixa de frequência efetiva do tubo de onda em pé é de 100 ~ 1000 Hz. Os resultados medidos da sensibilidade de cada canal do hidrofone de vetor esférico de co-vibração são mostrados na Figura 5 com os pontos de estrela vermelha. Pode -se observar que as curvas medidas da sensibilidade dos três canais vetoriais são basicamente consistentes com as curvas teóricas. As sensibilidades dos canais X, Y e Z a 500 Hz são -188,9, -188.1 e -187,6 dB, respectivamente. O erro de consistência da sensibilidade de cada canal vetorial na banda de frequência de medição não excede 1,2 dB; O método menos quadrado é usado para encontrar a inclinação ajustada pela curva de sensibilidade dos três canais, e a diferença máxima entre os dados de sensibilidade dos três canais e a inclinação correspondente é menor que 0,8 dB, ou seja, a instabilidade do nível de sensibilidade de O hidrofone é inferior a 0,8 dB; A sensibilidade aumenta em 6 dB por oitava, o que é consistente com a tendência teórica.

5.2 Teste de diretividade

Os três canais vetoriais do hidrofone de vetor esférico co-vibrando devem teoricamente ter diretividade cosseno independente da frequência. O método de rotação é usado para medir a diretividade do hidrofone de vetor esférico co-vibração no tubo da onda em pé, e o intervalo angular do teste de rotação é de 0,4 °. A diretividade dos canais X, Y e Z em 100, 500 e 1000 Hz foi testada, respectivamente. Os resultados mostram que os canais X, Y e Z têm boa diretividade de cosseno nos três pontos de frequência. As curvas de diretividade dos canais X, Y e Z a 500 Hz são mostradas na Figura 6. Pode-se observar que a profundidade mínima do poço da curva de diretividade do canal X é de 34,1 dB e a profundidade mínima do poço do y- A curva de diretividade do canal é de 29,8 dB. A profundidade mínima do poço da curva de diretividade do canal é de 38,9 dB. Como o sinal gerado pela onda sonora no canal a ser medido quando o hidrofone vetorial está no ponto côncavo é extremamente pequeno, o sistema rotativo não para quando o sistema de teste está funcionando e a vibração mecânica e o ruído do sistema rotativo são transmitidos diretamente ao vetor através da mola de suspensão. No hidrofone, o sinal gerado no canal a ser medido geralmente é muito maior que o sinal acústico; portanto, a profundidade do poço obtida pela medição é muito mais rasa que o valor real. Mesmo assim, a menor profundidade do poço nos três canais vetoriais atinge 29,8 dB, o que pode atender aos requisitos de aplicação.

5.3 Teste de tensão suporta

O teste de pressão estática do hidrofone esférico co-vibração foi realizado na autoclave. De acordo com GB 150.1, para o teste hidráulico de um vaso de pressão externa, 1,25 vezes a pressão de projeto deve ser tomada como pressão de teste. A pressão de projeto do hidrofone vetorial é de 30 MPa, portanto a pressão máxima do teste de pressão é definida como 37,5 MPa. Durante o teste, foi simulado o modo de pressão do hidrofone ao longo do perfil do planador subaquático. Primeiro, a pressão foi aumentada para 37,5 MPa a uma velocidade constante e a pressão foi mantida por meia hora, depois a pressão foi liberada lentamente e a pressão foi aumentada para 37,5 MPa a uma velocidade constante novamente, e o ciclo foi repetido 5 vezes. Não houve queda de pressão repentina na autoclave durante todo o processo de pressurização. A aparência das duas amostras de hidrofone antes e depois da compressão não foi danificada e o peso era o mesmo. Em seguida, o desempenho acústico do hidrofone foi testado novamente no tubo de onda em pé. Os resultados do teste mostraram que o hidrofone funcionou normalmente após a supressão, e sua sensibilidade e diretividade eram basicamente as mesmas que antes da supressão. Está provado que o hidrofone de vetor esférico co-vibrando pode suportar 37,5 MPa pressão da água.

6. Conclusão

De acordo com os requisitos de resistência à pressão e desempenho acústico de um hidrofone de grande vetor de profundidade, este artigo propõe um método de projeto para a concha esférica de pressão média mínima de densidade de um hidrofone de vetor esférico co-vibração, que tem importante significância orientadora teórica para a realização de engenharia . Analisou e calculou os materiais de engenharia do mar profundo típicos e selecionou a liga de alumínio 7075T6 como material para a concha resistente à pressão do hidrofone do vetor; adotou o método mínimo de design de conchas esféricas resistentes à pressão média, através de cálculos teóricos e simulações de elementos finitos, para determinar a força e a estabilidade da concha, o projeto e a implementação de um hidrofone de vetor de co-vibração de grande profundidade passou a água de 37,5 MPa teste de pressão; As dimensões externas do hidrofone do vetor suportam o limite superior de sua frequência de trabalho até 3000 Hz, e a sensibilidade é de -188 dB a 500 Hz, o erro de consistência da sensibilidade dos três canais é menor que 1,2 dB, e as flutuações de sensibilidade são tudo menos de 0,8 dB. A diretividade dos três canais é uma figura ideal oito. No caso de ruído de rotação mecânica, o ponto côncava a profundidade também é superior a 29,8 dB.