Устойчивый к давлению гидрофон на основе пьезоэлектрической керамической сферической оболочки

На основе сопротивления давлениюПьезоэлектрическая керамическая сферическаяСама оболочка, устойчивый к давлению. Гидрофон был спроектирован и изготовлен с использованием радиально ополированной пьезоэлектрической керамической сферической оболочки. Трансдусер в качестве чувствительного к акустическому элементу. Во -первых, акустические характеристики, такие как низкочастотная схема открытой. Затем были проанализированы устойчивые к давлению производительность, такие как прочность и стабильность, также моделировали с помощью программного обеспечения Fe. Результаты испытаний показывают, что диаметр устойчивого к давлению гидрофона составляет 36 мм, а его диапазон рабочей частоты составляет от 50 Гц до 10 кГц. Низкочастотная чувствительность давления составляет 198: 4 дБ (0 дБ Ref 1 В/Па), уровень спектра шума составляет 46,5 дБ при 1 кГц, а его глубина рабочей силы составляет 3000 м. Этот устойчивый к давлению гидрофон обеспечивает эталон для конструкции гидрофонов глубокой воды и имеет важную ценность применения в области глубоководной акустики.

введение

С момента входа в 21-й век глубоководные исследования и разработки уделяли все больше внимания и стали горячей областью для конкуренции между странами. Устойчивые к давлению гидрофоны являются незаменимым оборудованием для глубоководной разработки. Кроме того, с быстрым развитием военных технологий в различных странах различные подводные оборудование, такие как подводные лодки, торпеды, подводные беспилотные летательные аппараты (UUV), подводные планеры (UUG), подводные роботы (ROV), подводные цели и т. Д. Глубина, это глубоководное оборудование обычно должно быть оснащено устойчивыми к давлению гидрофонов, которые могут соответствовать их глубине работы. Чтобы противостоять воздействию высокого гидростатического давления, устойчивые к давлению гидрофоны обычно принимают особые устойчивые к давлению структуры или внутренние и внешние конструкции баланса давления, такие как конструкции смягчения давления или компенсационные конструкции давления, нефтяные конструкции и т. Д. Заполненные и переполненные структуры могут теоретически противостоять статическому давлению всей глубины моря и являются наиболее часто используемыми конструкциями, устойчивыми к давлению для устойчивых к давлению гидрофонов. Устойчивые к давлению гидрофоны этих двух структур обычно используют пьезоэлектрическую керамическую трубку в качестве приемного датчика. Этот пьезоэлектрический гидрофон керамической трубки имеет преимущества простой структуры и технологий, но также имеет преимущества низкочастотной чувствительности напряжения открытой цепи. Недостатки. Радиально поляризованная пьезоэлектрическая трубка представляет собой щель для улучшения чувствительности приема, но она также значительно сужает полосу рабочей частоты, которая составляет всего 10/200 Гц. Если приемная полоса частоты пьезоэлектрической керамической круглой трубки гидрофона находится вблизи его резонансной частоты, хотя чувствительность может быть улучшена, его полоса рабочей частоты будет сильно ограничена, а плоскостность кривой чувствительности будет потеряна. В дополнение к пьезоэлектрическим круглым пробиркам, пьезоэлектрические сферические преобразователи оболочки также обычно используются приемные датчики для гидрофонов акустического давления. Пьезоэлектрический сферический преобразователь оболочки имеет много преимуществ, таких как простая структура и процесс, высокая чувствительность, хорошая всенаправленность и пропускная способность рабочей частоты. Что еще более важно, характеристики материала и структуры определяют, что сама пьезоэлектрическая керамическая сферическая оболочка имеет высокое сопротивление. В дополнение к заполненной маслам или переполненной структуре, это обеспечивает еще одну возможность для конструкции устойчивых к давлению гидрофонов, то есть использование пьезоэлектрической сферической оболочки с воздухом в качестве приемного датчика гидрофона устойчивого давления.

1 акустические характеристикипьезоэлектрический сферический преобразователь оболочки

Низкочастотная чувствительность

Ограниченные технологией формы и обработки, пьезоэлектрические керамические сферические оболочки обычно имеют только один режим поляризации: радиальная поляризация, а положительные и отрицательные электроды соответственно на внутренней и внешней поверхности сферической оболочки. Для пьезоэлектрического сферического датчика оболочки с внутренним радиусом A и внешним радиусом B, когда подвергается звуковому давлению P0, частота которого намного ниже его внутренней частоты, будет получена разность потенциалов V Пьезоэлектрическая сферическая оболочка. Приемная чувствительность гидрофона обычно экспрессируется чувствительностью свободного поля. Я определяется как отношение напряжения открытого круга на выходе гидрофона к звуковому давлению свободного поля в положении гидрофона в поле звука. Его форма децибела-чувствительность к получению свободного поля. Анкет Следовательно, низкочастотная чувствительность к получению напряжения открытой цирки на пьезоэлектрической сферической оболочке с воздухом. Под предпосылкой, что пьезоэлектрический материал является материалом, используемым в этой статье, когда t постоянна, чем больше B, то есть чем больше внешний диаметр пьезоэлектрической сферической оболочки, тем выше чувствительность; Когда B является определенным и t 0,36, чувствительность является наименьшей, и этой точки следует избегать в дизайне; Когда B определен и t <0:36, чем меньше t, то есть, тем более пьезоэлектрическая сферическая оболочка, тем выше чувствительность.

1.2 Резонансная частота

Для тонкого пьезоэлектрическогосферический подводной акустический преобразователь, его резонансная частота в воздухе. Можно видеть, что резонансная частота тонкой пьезоэлектрической сферической оболочки составляет только его средний радиус R и плотность материала S, модуль Young Y1 Изотропный эластичный материал. Можно видеть, что когда пьезоэлектрический материал определяется, тем больше средний радиус R сферической оболочки, тем выше резонансная точка и чем шире рабочая полоса пропускания. В воде, из -за повышенного радиационного импеданса пьезоэлектрического сферического преобразователя оболочки, его резонансная частота будет немного ниже резонансной частоты в воздухе. Когда пьезоэлектрический сферический гидрофон используется для низкочастотного приема, чтобы обеспечить плоскостность его чувствительности, его рабочая частота далеко от его резонансной частоты. В инженерии, как правило, требуется, чтобы его резонансная частота была не менее 5 раз превышает верхнюю частоту его работы.

2 Анализ характеристик сопротивления под давлением пьезоэлектрической сферической датчики оболочки

Режимы отказа конструкций, устойчивых к давлению, в основном включают в себя отказ прочности, сбой жесткости, разрушение стабильности и разрушение коррозии. Для гидрофонов большой глубины нагрузка, которую он несет, в основном является внешним давлением воды, а его режимы отказа - это в основном прочность и сбой стабильности. Две ситуации с отрывом пьезоэлектрического сферического преобразователя оболочки обсуждаются ниже.

2.1 Анализ отказа прочности

Отказ прочности относится к явлению, что необратимая деформация или перелом возникают после того, как максимальное напряжение в контейнере превышает предел урожайности, в результате чего контейнер теряет свою грузоподъемность. Соответственно, что прочность является максимально допустимым давлением пьезоэлектрического сферического датчика оболочки. Согласно безмерной теории вращающейся оболочки, под действием внешнего давления p, сферическая оболочка будет производить осевое растягивающее напряжение Z и растягивающее напряжение обруча, и они равны по значению. Среди них D0 находится за пределами диаметра сферической оболочки, устройство составляет мм; является толщиной сферической оболочки, единица составляет мм. Согласно теории максимального основного стресса, устойчивый к давлению конструкция структуры должна быть удовлетворена. Среди них допустимый стресс. Согласно национальному стандартному GB 150,3 моей страны, для материала стандартной нормальной температурной силы, коэффициент безопасности составляет ns = 1: 5. Прочность на нормальную температуру пьезоэлектрического керамического материала P-51, используемой в пьезоэлектрической сферической оболочке, составляет Rel = 137: 9 МПа, поэтому допустимое напряжение материала [] = rel/ns = 91: 9 МПа. Заменить параметр t, максимально допустимое давление пьезоэлектрического сферического преобразователя оболочки может быть получено, поскольку легко понять, что чем большее отношение толщины сферической оболочки к внешнему диаметру, тем сильнее пьезоэлектрическая прочность на сферическую оболочку и сопротивление давлению способность.

2.2 Анализ сбоя стабильности

Отказ стабильности относится к явлению, что контейнер изменяется от стабильного состояния равновесия на другое нестабильное состояние под действием внешней нагрузки, а его форма внезапно изменяется и теряет свою нормальную рабочую способность. Соответствует отказу стабильности является критическим допустимым давлением пьезоэлектрической сферической датчика оболочки. Согласно теории малой деформации, ПЦР критического давления нестабильности сферической оболочки при внешней силе имеет большую ошибку для этой формулы, поэтому для компенсации часто используется большой коэффициент безопасности. Согласно GB 150.3, коэффициент безопасности стабильности принимается как M = 14:25, поэтому допустимое критическое давление для нестабильности окружности [P] = ПЦР/M. Заменив параметр t таким же образом, допустимое критическое давление для окружной нестабильности пьезоэлектрической сферической преобразователя оболочки легко узнать. Когда пьезоэлектрический материал определяется, тем больше соотношение толщины сферической оболочки к внешнему диаметру, тем больше давление стабильность и сопротивление давлению электрической шариковой оболочки сильнее.

3 моделирование конечных элементов

Из приведенного выше анализа, для чувствительности и рабочей частоты пьезоэлектрической сферической оболочки, чем больше внешний диаметр, тем лучше, тем лучше; и для его сопротивления давлению, чем меньше внешний диаметр, тем толщина толщина. это хорошо. То есть акустическая производительность и характеристики сопротивления давления взаимно противоположны. Учитывая требования к акустической производительности и сопротивлению давлению, а также сложность и стоимость обработки сферической оболочки (обычно чем больше внешний диаметр, тем больше толщины, тем больше сложности обработки и чем выше затрат), тем наружный радиус Дизайн сферическая оболочка B = 15 мм, толщина = 3 мм. Пьезоэлектрический материал, используемый в сферической оболочке, составляет P-51, его пьезоэлектрический коэффициент G33 = 25: 6 10 3 В м/н, G31 = 9: 6 10 3 В м/н, плотность S = 7600 кг/м3, модуль Янга Y e11 = 6: 0 1010 Па, соотношение Пуассона = 0:36.

3.1 Моделирование акустических характеристик пьезоэлектрической сферической оболочки

Чтобы проверить правильность анализа акустических приемных характеристик пьезоэлектрического сферического преобразователя оболочки, метод анализа конечных элементов используется для моделирования и моделирования его, и используется программное обеспечение для моделирования Comsol5.4.

3.1.1 Получение моделирования чувствительности

Сначала создайте трехмерную модель структуры сферической оболочки. Чтобы упростить геометрию моделирования и ускорить решение, модель создает только 1/8 пьезоэлектрических сферических оболочек и использует 3 ограничения плоской симметрии для достижения полной сферической оболочки. Создайте пьезоэлектрический материал радиальной поляризационной системы поляризации в сферических координатах и ​​используйте параметры материала пьезоэлектрического материала P-51. Установите пограничную нагрузку как давление 0,1 МПа на внешней поверхности и не дает на внутреннюю поверхность. Выполняя анализ частотной области, он решается как стационарная проблема. На рисунке 2 показаны результаты моделирования потенциального распределения пьезоэлектрической сферической оболочки, когда подвергается давлению с частотой 500 Гц и давлением 0,1 МПа.

Замена параметров размера и материала пьезоэлектрической сферической оболочки в формулу, теоретическая открытая цепь, когда она подвергается низкочастотному звуковому давлению 0,1 МПа.

Выходное напряжение составляет 11,646 В. На рисунке 2 можно увидеть, что когда пьезоэлектрическая сферическая оболочка подвергается звуковому давлению 0,1 МПа при 500 Гц, результат моделирования его выходного напряжения составляет 11,632 В, что согласуется с теоретическим ценность. В это время его чувствительность составляет 198,7 дБ при 500 Гц (0 дБ = 1 В/ Па).

3.1.2 Моделирование частоты резонанса

В следующем также используется метод моделирования конечных элементов для моделирования резонансной частоты пьезоэлектрической керамической сферической оболочки, а полоса частоты моделирования составляет 1 Гц/200 кГц. Во -первых, материал пьезоэлектрической сферической оболочки упрощается в изотропный эластичный материал, а на нем проводится анализ частоты, а кривая частотной характеристики ее деформации показана на рисунке 3. Согласно формуле (3), резонанс Частота ФА пьезоэлектрической сферической оболочки в воздухе получена как 58,557 кГц. Из рис. 3 видно, что смоделированное значение резонансной частоты составляет 58,9 кГц, что в основном согласуется с теоретическим значением. Следует отметить, что формула (3) является лишь упрощенным расчетом для изотропной тонкой сферической оболочки, а пьезоэлектрическая сферическая оболочка не является изотропным, а толщина относительно толстая, непосредственно применение формулы (3) будет иметь определенные ошибки Анкет Если заменяются полные параметры пьезоэлектрической керамики, кривая частотная отклика чувствительности к напряжению открытой цепи показана на рисунке 4. На рисунке 4 можно увидеть, что на полосе частоты 1 Гц 10 кГц, кривая чувствительности чувствительности Пьезоэлектрическая сферическая оболочка очень плоская, с чувствительностью 198,7 дБ, что согласуется с теоретическим анализом. Резонансная частота становится 72,1 кГц, что немного больше, чем результат расчета формулы (3), но она не влияет на достоверность формулы в инженерных приложениях. Поскольку соответствующий коэффициент демпфирования пьезоэлектрического материала не может быть получен, коэффициент потери матрицы гибкости и коэффициент потери пьезоэлектрической матрицы в модели устанавливаются на 0, что приводит к моделированию, что чувствительность пьезоэлектрической сферической оболочки на резонансной частоте 155 дБ, на самом деле чувствительность должна быть меньше, чем это значение.

3.2 Моделирование производительности сопротивления давленияПьезоэлектрическая сферическая оболочка

Теоретическая формула расчета сопротивления давлению в разделе 2 представляет собой упрощенную формулу, обобщенную для удобства инженерного применения, и фактическая пьезоэлектрическая сферическая оболочка. Будут открыты из -за потребностей в установке, что может привести к непоследовательной способности давления. Теоретические результаты. Чтобы как можно точнее получить способность давления пьезоэлектрического сферического преобразователя оболочки, статическое моделирование структуры и моделирование изгиба собственных значений были выполнены соответственно через программное обеспечение для анализа конечных элементов.

3.2.1 Структурное статическое моделирование

Структурное статическое моделирование может получить распределение напряжений по всей структуре, когда структура находится под нагрузкой. Следовательно, максимально допустимое напряжение известного материала является

Максимально допустимое давление, которое он может иметь, может быть смоделировано. Составлена ​​трехмерная модель сферической оболочки, а монтажные отверстия установлены на сферической модели оболочки. Принять сферическую оболочку

Метод гексаэдрона используется для разделения сетки, а роликовые опоры устанавливаются на цилиндрическую поверхность, а нижняя плоскость монтажного отверстия, а давление подается на внешнюю поверхность пьезоэлектрической сферической преобразователя оболочки.

Постоянно менять размер давления и провести структурный статический анализ. Моделирование обнаружило, что когда давление, нанесенное на внешнюю поверхность, достигает 28 МПа, пьезоэлектрический

Максимальное напряжение сферической оболочки составляет 151 МПа, и ее распределение напряжений показано на рисунке 5 (для облегчения наблюдения внутреннего напряжения, пьезоэлектрическая сферическая оболочка разрезана вдоль центральной линии, чтобы показать

Показывать). Следует отметить, что максимальное напряжение происходит только на граничной линии филе на монтажном отверстии, а максимальное напряжение в оставшихся других местах меньше, чем это

Безопасное допустимое напряжение пьезоэлектрического материала составляет 91,9 МПа, поэтому максимально допустимое давление пьезоэлектрической сферической оболочки может достигать 28 МПа в соответствии с моделированием. И корень

Согласно формуле (6), максимально допустимое давление пьезоэлектрического сферического преобразователя оболочки может быть получено как 36,8 МПа. Можно видеть, что прочность на сжатие сферической оболочки после перфорации ниже, чем у полной

Теоретическая сила всей сферической оболочки. В моделировании явление концентрации напряжений, которое появляется в нескольких местах в монтажном отверстии, превышает допустимое напряжение безопасности, и влияет ли оно на сопротивление давления пьезоэлектрической сферической оболочки, еще предстоит проверить тестирование давления.

3.2.2 Собственное моделирование изгиба

Моделирование выпучания собственных значений может получить режимы изгибы тонких оболочков и соответствующие критические давления в зрелище. Давление 1 МПа было применено на внешнюю поверхность пьезоэлектрической сферической датчика оболочки, и был проведен его анализ вытухания собственных значений. Результаты симуляции показывают, что режим изгибы первого порядка показан на рисунке 6, а волновой n = 4 первого порядка, который согласуется с характеристиками нестабильности сферической оболочки. Коэффициент нагрузки первого порядка составляет 3379, поэтому критическая нагрузка первого порядка составляет 3379 МПа. Поскольку первый заказ является самым низким значением нагрузки на стрижку, это означает, что пьезоэлектрическая сферическая структура оболочки не будет стабильной, пока теоретическое давление не достигнет 3379 МПа. Согласно формуле (7), критическое давление окружности нестабильности пьезоэлектрической сферической датчика оболочки может быть получено как 2970 МПа, что в основном согласуется с результатами моделирования. Результаты моделирования конечных элементов показывают, что максимально допустимое давление пьезоэлектрического сферического датчика оболочки составляет 28 МПа, а его критическое давление в стяжке составляет 3379 МПа, что указывает на то, что когда внешнее давление продолжает увеличиваться, пьезоэлектрическая сферическая оболочка меняется первое появление первого возникновения первого возникновения первого возникновения первого возникновения первого возникновения первого возникновения Энергетическое устройство - это сбой прочности, который также показывает, что его безопасная глубина противоположного напряжения составляет 2800 м.

4 Проверка разработки и производительности гидрофона сферического давления

4.1 Развитие сферического устойчивого к давлению гидрофона

В этой статье радиально поляризованный воздушныйпьезоэлектрический сферический преобразователь оболочкииспользуется в качестве акустического датчика приема, а сферический устойчивый к давлению гидрофон спроектирован и изготовлен. Внешний радиус пьезоэлектрической сферической оболочки, используемой в сферической устойчивой к давлению гидрофона, составляет 15 мм, толщина сферической оболочки составляет 3 мм, а пьезоэлектрический керамический материал, используемый для сферической оболочки, составляет P-51. Внутренняя часть пьезоэлектрической сферической оболочки-это полость, а самый внешний слой покрыт слоем проницаемой звуковой резины для изоляции, уплотнения и защиты. Толщина проницаемой звуковой резины составляет 3 мм. Физический объект сферического устойчивого к давлению гидрофона. Диаметр всего гидрофона составляет 36 мм.

4.2 Тест на производительность гидрофона сферического давления

4.2.1 Тест на получение чувствительности

Готовый сферический гидрофон помещается в трубку стоячей волны, а его низкочастотная чувствительность с открытым кругом проверяется методом сравнения. Мяч

Гидрофон давления и стандартный гидрофон подвешены на той же высоте в пробирке стоячей волны одновременно, изменяя частоту излучения источника звука стоячей трубки и записывая оба одновременно

С помощью метода сравнения получение чувствительностиСферический давление гидрофонполучается. Используемая трубка стоячей волны может создавать только комбинацию 50 1000 Гц

Постоянная волна сетки, поэтому полоса частоты измерения на этот раз составляет 50 1000 Гц. Измеренные результаты кривой чувствительности сферического устойчивого к давлению гидрофона показаны на рисунке 8.

Результат теста показывает, что чувствительность сферического устойчивого к давлению гидрофона в полосе частоты 50 1000 Гц составляет около 198,4 дБ, что в основном согласуется с теоретическим значением. в

В диапазоне 50 1000 Гц колебания чувствительности не превышают 0,5 дБ. Трубка стоячей волны может быть откалибрована только ниже 1 кГц. Для полосы частот от 1 кГц до 10 кГц измерение проводится в анехозной резервуаре. Поместите готовый сферический устойчивый к давлению гидрофон и стандартный гидрофон в одном и том же положении Anechoic Tank, используйте источник звука, чтобы воспроизводить одночастотные сигналы различных частот, и используйте метод сравнения, чтобы завершить измерение чувствительности приема. Измеренные результаты кривой чувствительности сферического устойчивого к давлению гидрофона при 1 кГц и 10 кГц показаны на рис. 9. Из результатов испытаний можно увидеть, что чувствительность сферического устойчивого к давлению гидрофона в полосе частоты 1 кГц и 10 кГц составляют около 198 дБ, что в основном согласуется с теоретической ценностью. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц колебания чувствительности не превышают 1,4 дБ.

4.2.2 Тест самостоятельного шума

Чтобы гарантировать, что гидрофон может поднять слабые звуковые сигналы, гидрофон должен иметь более низкий эквивалентный самообвижение. Сферическое давление гидрофон

Он помещается в вакуумный резервуар с электромагнитным экранированием, демпфированием и уменьшением вибрации, а тест самостоятельного шума проводится на карте получения сигнала BK-3050 с чрезвычайно низким шумом.

Эквивалентный спектр самосогласого гидрофона сферического устойчивого к давлению показан в красной сплошной линии на рисунке 10. Черная пунктирная линия на рисунке 10 является самым ранним исследованием о океане. суммировано Кундсоном [9]. Согласно кривой Кундсон, фоновый шум океана под состоянием моря 0. Уровень спектра звука составляет около 44 дБ при 1 кГц. Следует отметить, что эти данные являются результатом исследования в 1948 году. В последние годы как глобальная доставка

При быстром развитии фоновый шум океана растет год за годом. Синяя пунктирная линия на рисунке 10 представляет собой уровень спектра фонового шума в Южно-Китайском море в 2013 году на линии условий моря уровня 0, можно видеть, что эквивалентный уровень спектра самостоятельного шума сферического устойчивого к давлению гидрофона ниже или или или или Равно от состояния моря уровня 0 в диапазоне 10 1500 Гц. Шум сцены немного выше, чем фоновый фоновый шум в океане с морским состоянием 0 в диапазоне 1500 5000 Гц. Его эквивалентный спектр самостоятельного шума при 1000 Гц. Уровень составляет 46,5 дБ.

4.2.3 Проверка производительности напряжения

Чтобы проверить способность сопротивления давлениюСферический давление гидрофонОбразец сферического устойчивого к давлению гидрофона помещали в автоклав для испытания давления. Чтобы обеспечить безопасность, тестовая система оказывается под давлением с водой высокого давления. Согласно предыдущему анализу, его безопасная способность сопротивления давления составляет 28 МПа, что меньше 1,5 раза коэффициента безопасности

Полученный результат, то есть его теоретическая возможность окончательного давления составляет 42 МПа. Чтобы сбалансировать безопасность и простоту использования, здесь окружено до

30 МПа для тестирования. Во время теста сначала давление до 30 МПа, удерживайте давление в течение 3 часов, высвобождайте давление и проверьте гидрофон; Затем снова давите на 30 МПа и повторите тест 3 раза. Не было значительного падения давления в течение всего процесса давления. После каждой давления проверьте гидрофон, который будет протестирован. Внешний вид не поврежден. Взвешивание последовательно до и после теста. Затем чувствительность снова проверяется в трубке стоячей волны. Результат теста показывает, что чувствительность в основном такая же, как чувствительность до давления. Это доказывает, что он может противостоять давлению воды в 3000 м.

5. Вывод

В этой статье используется комбинация теоретической формулы и моделирования конечных элементов, а пьезоэлектрическая сферическая структура оболочки и материал обладают способностью сопротивления под давлением, а радиально поляризованный воздушный пьезоэлектрический сферический преобразователь используется в качестве акустического чувствительного элемента. И сделал сферический устойчивый к давлению гидрофон. Диаметр гидрофона сферического давления составляет 36 мм, полоса рабочей частоты составляет 50 Гц 10 кГц, низкочастотная чувствительность составляет 198,4 дБ, эквивалентный уровень спектра самоубийства составляет 46,5 дБ при 1 кГц, и на глубине рабочей глубины. 3000 м. Схема пьезоэлектрической сферической оболочки с воздухом, используемая в этой статье, получила определенную способность сопротивления давления при условии высокой чувствительности. Если глубина сопротивления давления должна быть непрерывно улучшена, чувствительность должна быть потеряна за счет. Это решение может достичь относительно ограниченной сопротивления давления. Если гидрофон должен получить большую сопротивление давления (например, полная глубина моря), лучше выбрать заполненный маслом или переполненным раствором.