Conception optimale de la coque sphérique d'hydrophone de vecteur de co-vibration (2)

La forme de l'hydrophone est une normetransducteur acoustique de forme sphérique. La coquille sphérique de l'hydrophone est composée d'hémisphères supérieur et inférieur. Le rayon extérieur des deux hémisphères est de 36 mm, l'épaisseur de la paroi de l'hémisphère inférieur est de 3 mm et l'épaisseur de la paroi de l'hémisphère supérieur est de 4 mm. Un joint torique en caoutchouc est utilisé pour le scellement axial au milieu. Afin de minimiser la qualité de la partie non pression de la coquille, un joint torique norme américain plus mince que la norme nationale est sélectionné pour réduire la largeur de la rainure d'installation du joint torique. Les hémisphères supérieurs et inférieurs sont fixés par les filetages sur la coque sphérique, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'augmenter la position d'installation des boulons de fixation, et il s'agit également de rendre la partie non pression de la coquille aussi petite que petite que petite que petite que petite que petite que soit petite que petite que petite que petite que petite que petite que petite que soit petite que petite que petite que petite que petite que petite que petite que petite que soit petite que petite que petite que petite que petite que petite que petite que soit petite possible. Étant donné que les hémisphères supérieurs et inférieurs sont fixés par les fils, la position d'alignement des deux hémisphères est aléatoire lors du resserrement. Par conséquent, 4 trous de suspension à ressort sont répartis uniformément au centre de la surface externe de la coquille sphérique au lieu de deux réparties symétriquement sur les deux coquilles hémisphériques. Trou de suspension à ressort en boucle. Rendre l'hémisphère inférieur un peu plus grand et l'hémisphère supérieur un peu plus petit, de sorte que tous les trous de suspension de ressort au centre sont situés sur l'hémisphère inférieur. Le capteur de ramassage de vibration utilise un accéléromètre piézoélectrique à trois axes. L'accéléromètre est installé au centre de la coque sphérique à travers un support, et le circuit de conditionnement du signal est installé de l'autre côté du support. Notez que ce \"centre \" est également situé dans la coquille hémisphérique inférieure, de sorte que lorsque les deux hémisphères sont resserrés, quel que soit l'angle entre les hémisphères supérieur et inférieur, il n'affectera pas l'alignement de l'accéléromètre avec l'on direction du trou de suspension. Une fois l'assemblage terminé, le centre de gravité de l'ensemble de l'hydrophone vectoriel doit coïncider avec le centre de la coque sphériquetransducteur acoustique sous-marinautant que possible. La position du centre de gravité de l'hydrophone sur la figure 1 est automatiquement calculée par le logiciel de modélisation 3D, et il est situé au centre géométrique de l'hydrophone vectoriel. La zone faible deLa coque sphérique résistante à la pression conçue est la connexion entre la rainure jointe et la coque sphérique et l'ouverture de la partie perçante. Pour la connexion entre la rainure jointe et la coque sphérique, ajoutez un grand filet pour rendre la transition lisse pour réduire la concentration de contrainte. Pour l'ouverture de la partie perçante, d'une part, augmentez l'épaisseur de la paroi du trou pour augmenter la résistance de la paroi du trou, d'autre part, ajoutez de grands coins ronds à la transition entre la paroi du trou et la surface intérieure de La coquille sphérique et à la transition entre la paroi du trou et la surface externe de la coquille sphérique augmentent le matériau pour lisser la transition et réduire la concentration de contrainte. Afin de compenser le problème de réduction de la résistance causé par l'ouverture de la coquille hémisphérique supérieure, l'épaisseur de la coquille hémisphérique supérieure a été augmentée de 1 mm dans son ensemble. De plus, les boulons en acier résistants à la pression utilisés pour le routage à travers l'entrepôt ont une résistance plus élevée, équivalent aux boulons solides et soutiennent les trous filetés.

4.5 Simulation de performances de la coque résistante à la pression d'hydrophone vectoriel

On peut voir sur la figure 1 que la coquille sphérique résistante à la pression conçue de l'hydrophone vectoriel n'est plus une coque sphérique idéale. Le plus grand impact sur les performances résistants à la pression est l'ouverture d'un plus grand trou fileté dans l'hémisphère supérieur. L'influence du trou a augmenté l'épaisseur de l'hémisphère supérieur de 1 mm. Ces changements n'ont pas été théoriquement calculés. Ce qui suit utilise la méthode de l'analyse des éléments finis pour effectuer une simulation statique structurelle et une simulation de flambement des valeurs propres sur le modèle tridimensionnel de la coque sphérique d'hydrophone vectoriel pour vérifier si l'hydrophone vectoriel conçu peut résister à une pression externe de 30 MPa. Le logiciel de simulation par éléments finis utilisé est ANSYS Workbench.

4.5.1 Simulation statique structurelle

Importer le modèle numérique tridimensionnel duVector hydrophone sphériqueShell dans le logiciel de simulation par éléments finis, définissez le matériau de la coque sur l'alliage d'aluminium 7075T6 et définissez le mode de contact entre la coque supérieure et la bougie et entre les coquilles supérieures et inférieures pour lier le mode, la méthode hexaèdre est utilisée pour mailler le modèle, La taille du maillage est réglée sur une fonction de flexion et la taille maximale est définie sur 0,8 mm. Les déplacements dans les directions x, y et z sont définis sur 0 sur la surface supérieure du bouchon pour contraindre la traduction du modèle; Une contrainte de surface cylindrique est réglée sur la surface cylindrique externe du bouchon, et la direction tangentielle est fixée pour limiter la rotation et la rotation du modèle. Axial et sans radial; Appliquez une charge de pression de 30 MPa sur toutes les surfaces extérieures de la coquille d'hydrophone (y compris la surface intérieure de la rainure jointe) et effectuez une analyse statique structurelle à ce sujet. La distribution de l'intensité de contrainte de la coquille d'hydrophone obtenue par simulation est illustrée à la figure 2. L'intensité de contrainte est sélectionnée pour l'analyse car il s'agit d'une contrainte équivalente basée sur la théorie de la troisième intensité, le résultat est plus sûr et il convient à l'analyse des vaisseaux sous pression .

L'intensité de contrainte du renflement annulaire causée par la rainure jointe au milieu de la coquille d'hydrophone (qui peut être considérée comme un cycle de côte de raidissement) est petite; La valeur de simulation d'intensité de contrainte de la partie centrale des coquilles hémisphériques supérieures et inférieures de la coque d'hydrophone est la plus petite, sa valeur est inférieure à 202,7 MPa, ici n'inclut pas la discontinuité et la concentration de contrainte, elle peut être considérée comme le film global principal L'intensité de contrainte, selon la formule (6), la théorie de la contrainte globale du film primaire (c'est-à-dire la contrainte maximale principale) de la coquille sphérique à parois minces La valeur calculée est de 187,8 MPa, ce qui est fondamentalement cohérent avec les résultats de la simulation. L'intensité de contrainte dans la plupart des zones de la surface intérieure des coquilles sphériques supérieures et inférieures est relativement importante et sa valeur est inférieure à 243,2 MPa. La contrainte à ce stade appartient à la contrainte de flexion primaire et répond à la limite de moins de 1,5 fois la contrainte admissible. Il y a une grande zone de contrainte annulaire à la jonction de la coquille hémisphérique inférieure et de la saillie annulaire centrale, l'intensité de contrainte est d'environ 324,2 MPa, la contrainte ici est la contrainte principale plus la contrainte secondaire, et sa valeur est inférieure à 3 fois la stress admissible, qui répond aux exigences de conception. Il y a des concentrations de contraintes locales à l'endroit où le haut de la coque hémisphérique supérieure est en contact avec le bouchon et quelques endroits dans la rainure du joint torique. La contrainte maximale est de 405,2 MPa, qui appartient à la contrainte primaire plus la contrainte secondaire plus la contrainte de pointe. Cette contrainte n'affectera pas l'impact de la défaillance de la résistance affecte principalement la défaillance de la fatigue de la coquille de pression. Par conséquent, la coquille sphérique de l'hydrophone vectoriel peut résister à une pression externe de 30 MPa sans défaillance de résistance.

4.5.2 Simulation de flambement des valeurs propres

Ensuite, la charge de pression sur la surface externe du modèle de coquille sphérique hydrophone est changée en 1 MPa, et l'analyse de flambement des valeurs propres est effectuée sur la base des résultats de l'analyse statique structurelle. La déformation totale du mode de flambement du premier ordre de la coquille sphérique de l'hydrophone est illustrée à la figure 3.

On peut voir sur la figure 3 que la déformation se produit principalement dans l'hémisphère inférieur, car plus la coquille sphérique est mince, plus la stabilité est pire. Le facteur de charge de flambement du premier ordre est de 680,35, donc la valeur de simulation de la pression d'instabilité critique de la coque sphérique hydrophone est de 680,35 MPa, qui est légèrement supérieure à la pression critique de l'instabilité circonférentielle calculée par la formule de 611,6 MPa. Par conséquent, la coquille sphérique de l'hydrophone vectoriel peut résister à une pression externe de 30 MPa sans défaillance de stabilité.

4.6 Production d'hydrophone vectorielle

Les coquilles hémisphériques supérieures et inférieures ducapteur d'hydrophone vectorielsont traités par des machines-outils CNC. Le matériau est d'alliage d'aluminium 7075-T6, et la surface est anodisée pour former un film de protection dense de l'oxyde pour améliorer la dureté de surface et inhiber la corrosion de l'eau de mer. L'hydrophone vectoriel sphérique de co-vibration terminé est illustré à la figure 4. Après une mesure réelle, sa masse est de 274,7 g et sa densité est de 1,40×103 kg / m3. Le rayon extérieur de l'hydrophone vectoriel est ro = 36 mm et se substituant à l'équation (4), la taille de cet hydrophone soutient la limite supérieure de sa fréquence de travail FMAX = 2653 Hz. Pour plus de facilité d'utilisation, autour de la limite supérieure de sa fréquence de travail à 3000 Hz. À ce moment, KRO = 0,45239, rapport de densité 0R / R = 1,40, substituant les équations (1) et (2) dans les équations (1) et (2) pour obtenir v / v0 = 0,77, le maximum La différence de phase n'est que de 0,15°, qui répond aux exigences de la demande.

5 Vector Hydrophone Performance Test

Afin de vérifier si les performances acoustiques et la résistance à la pression de l'hydrophone vectoriel sphérique conçu et fabriqué répondent aux exigences, les échantillons d'hydrophone sont placés dans le tube d'onde debout pour les tests de sensibilité et de directivité, et le test de pression statique est effectué en l'autoclave.

5.1 Test de sensibilité

La sensibilité de l'accéléromètre piézoélectrique à trois axes utilisés dans la co-vibrationhydrophone vectoriel sous-marinDans cet article se trouve MA = 2500 mV / g. La sensibilité à la vitesse de vibration d'un hydrophone vectoriel est généralement exprimée par la sensibilité à la pression acoustique du champ libre équivalent. Il existe la relation de conversion suivante entre MP et MA. La substitution de la valeur mesurée réelle de la densité moyenne de l'hydrophone dans l'équation (3) peut être obtenue | v / v0 | = 0,7895, substituant cette valeur à l'équation (16), la relation entre la sensibilité théorique de la pression acoustique équivalente de l'hydrophone vectoriel et la fréquence des ondes sonores peut être obtenue, comme le montre la ligne continue noire de la figure 5. AT 500 Hz, la sensibilité théorique du canal vectoriel de l'hydrophone vectoriel est de -187,4 dB (0 dB RE 1V / μPA, à l'exclusion du facteur d'amplification du préamplificateur intégré de l'hydrophone), ce qui augmente la sensibilité de 6 dB par octave. La sensibilité à la vitesse de vibration de l'hydrophone vectoriel est testée dans un tube d'onde debout en utilisant une méthode de comparaison, et la bande de fréquence effective du tube d'onde debout est de 100 ~ 1000 Hz. Les résultats mesurés de la sensibilité de chaque canal de l'hydrophone de vecteur sphérique de co-vibration sont illustrés à la figure 5 avec les points d'étoile rouge. On peut voir que les courbes mesurées de la sensibilité des trois canaux vectoriels sont essentiellement cohérentes avec les courbes théoriques. Les sensibilités des canaux x, y et z à 500 Hz sont -188,9, -188,1 et -187,6 dB, respectivement. L'erreur de cohérence de sensibilité de chaque canal vectoriel dans la bande de fréquence de mesure ne dépasse pas 1,2 dB; La méthode la moindre carrée est utilisée pour trouver la pente ajustée par la courbe de sensibilité des trois canaux, et la différence maximale entre les données de sensibilité des trois canaux et la pente correspondante est inférieure à 0,8 dB, c'est-à-dire l'instabilité au niveau de sensibilité de l'instabilité L'hydrophone est inférieur à 0,8 dB; La sensibilité augmente de 6 dB par octave, ce qui est cohérent avec la tendance théorique.

5.2 Test de directivité

Les trois canaux vectoriels de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant devraient théoriquement avoir une directivité en cosinus indépendante de la fréquence. La méthode de rotation est utilisée pour mesurer la directivité de l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant dans le tube d'onde debout, et l'intervalle angulaire du test de rotation est de 0,4 °. La directivité des canaux x, y et z à 100, 500 et 1000 Hz a été testée respectivement. Les résultats montrent que les canaux x, y et z ont une bonne directivité en cosinus aux trois points de fréquence. Les courbes de directivité des canaux x, y et z à 500 Hz sont illustrées à la figure 6. On peut voir que la profondeur minimale de la puits de la courbe de directivité du canal X est de 34,1 dB, et la profondeur minimale de la fosse du y- La courbe de directivité des canaux est de 29,8 dB. La profondeur de fosse minimale de la courbe de directivité du canal est de 38,9 dB. Étant donné que le signal généré par l'onde sonore sur le canal à mesurer lorsque l'hydrophone vectoriel est au point concave est extrêmement petit, le système rotatif ne s'arrête pas lorsque le système de test fonctionne et la vibration mécanique et le bruit du système rotatif sont directement transmis au vecteur à travers le ressort de suspension. Sur l'hydrophone, le signal généré sur le canal à mesurer est souvent beaucoup plus grand que le signal acoustique, de sorte que la profondeur de la fosse obtenue par la mesure est beaucoup moins profonde que la valeur réelle. Malgré cela, la plus petite profondeur de fosse dans les trois canaux vectoriels atteint 29,8 dB, ce qui peut répondre aux exigences de demande.

5.3 Test de tension de support

Le test de pression statique de l'hydrophone sphérique vibrant a été effectué dans l'autoclave. Selon GB 150.1, pour le test hydraulique d'un récipient de pression externe, 1,25 fois la pression de conception doit être prise comme pression d'essai. La pression de conception de l'hydrophone vectoriel est de 30 MPa, de sorte que la pression maximale du test de pression est réglée à 37,5 MPa. Pendant le test, le mode de pression de la glisse d'hydrophone le long du profil du planeur sous-marin a été simulé. Tout d'abord, la pression a été augmentée à 37,5 MPa à une vitesse constante, et la pression a été maintenue pendant une demi-heure, puis la pression a été lentement libérée, et la pression a été augmentée à 37,5 MPa à nouveau à une vitesse constante, et le cycle a été répété 5 fois. Il n'y a pas eu de chute de pression soudaine dans l'autoclave pendant tout le processus de pressurisation. L'apparition des deux échantillons d'hydrophone avant et après la compression n'a pas été endommagée, et le poids était le même. Ensuite, les performances acoustiques de l'hydrophone ont été retestées dans le tube d'onde debout. Les résultats des tests ont montré que l'hydrophone fonctionnait normalement après la suppression, et sa sensibilité et sa directivité étaient fondamentalement les mêmes qu'avant la suppression. Il est prouvé que l'hydrophone vectoriel sphérique vibrant peut résister à la pression d'eau de 37,5 MPa.

6. Conclusion

Conformément aux exigences de résistance à la pression et de performances acoustiques d'un hydrophone vectoriel de profondeur, cet article propose une méthode de conception pour la coque sphérique de pression moyenne minimale de densité d'un hydrophone vectoriel sphérique vibrant, qui a une signification théorique importante pour la réalisation d'ingénierie . Analysé et calculé des matériaux d'ingénierie typiques en courses profondes et sélectionné en alliage d'aluminium 7075T6 comme matériau pour la coquille résistante à la pression de l'hydrophone vectoriel; Adopté la méthode de conception de la coque sphérique résistante à la densité minimale résistante à la densité, à travers des calculs théoriques et des simulations d'éléments finis, pour déterminer la résistance et la stabilité de la coquille, la conception et la mise en œuvre d'un hydrophone de vecteur de co-vibration à grande profondeur ont passé le 37,5 MPa Water Water test de pression; Les dimensions externes de l'hydrophone vectoriel soutiennent la limite supérieure de sa fréquence de travail jusqu'à 3000 Hz, et la sensibilité est de -188 dB à 500 Hz, l'erreur de cohérence de sensibilité des trois canaux est inférieure à 1,2 dB et les fluctuations de sensibilité sont Tout moins de 0,8 dB. La directivité des trois canaux est une figure huit idéale. Dans le cas du bruit de rotation mécanique, le point concave de la profondeur est également supérieur à 29,8 dB.