同振式矢量水聽器耐壓球殼優(yōu)化設(shè)計(jì)

王超， 王文龍， 孫芹東， 孫文祺

(1.海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266199; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋應(yīng)用技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266235)

0 引言

同振式矢量水聽器能夠測(cè)量聲場介質(zhì)中的振速矢量信息，單個(gè)矢量水聽器就能完成對(duì)聲學(xué)目標(biāo)的測(cè)向[1]。它還具有體積小、功耗低、靈敏度高、頻段適中等優(yōu)點(diǎn)，非常適合安裝在水下滑翔機(jī)、剖面浮標(biāo)等水下無人平臺(tái)上執(zhí)行目標(biāo)探測(cè)、海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)等任務(wù)[2-3]。目前，隨著耐壓技術(shù)的發(fā)展，各種水下無人平臺(tái)的工作深度越來越大[4-5]，對(duì)矢量水聽器的耐壓能力提出了更高的要求。美國、俄羅斯等國家已經(jīng)研發(fā)出了工作深度達(dá)5 000～6 000 m的矢量水聽器[6-8]。國內(nèi)目前還處于研究起步階段，其中：哈爾濱工程大學(xué)的楊松濤分別采用環(huán)氧樹脂加玻璃微珠復(fù)合材料灌封和金屬殼體充油的方案制作了耐壓深度1 000 m的矢量水聽器，其中充油環(huán)節(jié)存在氣泡，導(dǎo)致水聽器的靈敏度和指向性均不理想[9]；哈爾濱工程大學(xué)的鄒亮采用外部復(fù)合材料殼體加內(nèi)部鋁合金殼體的雙層殼體方案設(shè)計(jì)了耐壓深度2 000 m的矢量水聽器，由于尺寸較大，其高頻上限只有1 000 Hz[10]；海軍潛艇學(xué)院的孫芹東等采用金屬殼體包覆聚氨酯外殼的方案設(shè)計(jì)制作了耐壓復(fù)合同振式矢量水聽器，通過了15 MPa水壓測(cè)試，并搭載在水下滑翔機(jī)上在南海進(jìn)行了深潛試驗(yàn)，最大下潛深度1 200 m[11]；海軍潛艇學(xué)院的王文龍等采用膠囊形鋁合金薄殼方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了耐壓能力達(dá)到20 MPa的同振式矢量水聽器[12]。本文將壓力容器設(shè)計(jì)相關(guān)理論應(yīng)用到大深度矢量水聽器設(shè)計(jì)中，直接采用高強(qiáng)度金屬材料制成的單層薄壁球殼作為矢量水聽器的耐壓殼體。該方案工藝相對(duì)簡單，且能達(dá)到較大的耐壓深度。在這種方案中，如何選擇球殼材料并設(shè)計(jì)球殼尺寸，使矢量水聽器在耐壓性能滿足要求的前提下聲學(xué)性能盡量提高，是矢量水聽器耐壓球殼設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 同振式球形矢量水聽器聲學(xué)性能影響因素

同振式球形矢量水聽器在水下聲場中工作時(shí)，會(huì)受到聲場的作用而發(fā)生振動(dòng)，設(shè)其振速為v，另設(shè)聲場中未放入該水聽器時(shí)原水聽器幾何中心所在位置的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速為v0，則二者存在如下關(guān)系[13]：

(1)

(2)

如果滿足kRo?1，則(1)式和(2)式[13]可化簡為

(3)

(4)

同振式球形矢量水聽器的頻率上限要求其外半徑越小越好；靈敏度要求其平均密度越小越好；材質(zhì)、厚度不變情況下，外半徑越小，則平均密度反而越大，這是一對(duì)矛盾。同振式球形矢量水聽器的耐壓性能要求其外半徑越小、厚度越大、材料強(qiáng)度越高越好；外半徑越小、厚度越大，則平均密度越大，這也是矛盾。同振式球形矢量水聽器耐壓性能和聲學(xué)性能對(duì)其球型殼體設(shè)計(jì)提出的要求是在達(dá)到耐壓要求前提下，平均密度盡量小(靈敏度高)，外半徑盡量小(高頻上限高)，這些限制相互制約。下面將研究同振式球形矢量水聽器球殼的材質(zhì)、外半徑和厚度與其耐壓性能、靈敏度和高頻上限之間的關(guān)系，以期找到滿足耐壓性能前提下，聲學(xué)性能最優(yōu)的矢量水聽器耐壓球殼設(shè)計(jì)方案。

2 外壓薄壁球殼失效分析

同振式球形矢量水聽器在水下正常工作時(shí)，其耐壓球殼承受外部靜水壓力作用，屬于外壓容器，在不考慮腐蝕失效情況下，其失效方式主要有兩種：強(qiáng)度失效和穩(wěn)定性失效。

2.1 強(qiáng)度失效

強(qiáng)度失效是指當(dāng)壓力容器某處材料的最大應(yīng)力超過其屈服點(diǎn)后，材料從彈性形變進(jìn)入塑性形變，發(fā)生不可恢復(fù)的變形或斷裂而引起的失效。根據(jù)最大主應(yīng)力理論和彈性失效準(zhǔn)則，若要外壓球殼不發(fā)生強(qiáng)度失效，其最大應(yīng)力T要小于等于球殼所用材料的強(qiáng)度失效許用應(yīng)力[T]。

在壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，人們?cè)谠O(shè)計(jì)外壓球殼時(shí)采用的最大應(yīng)力公式[14]為

(5)

(6)

則球殼的強(qiáng)度失效最大許用外壓pi要滿足

(7)

2.2 穩(wěn)定性失效

穩(wěn)定性失效是指在外部載荷作用下，壓力容器由穩(wěn)定的平衡狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定的狀態(tài)，突然失去原有的幾何形狀而引起的失效。當(dāng)球殼厚度很薄時(shí)，失穩(wěn)破壞往往發(fā)生在強(qiáng)度破壞之前。對(duì)于外壓薄壁球殼，根據(jù)小變形理論推導(dǎo)得到的臨界失穩(wěn)壓力pcr計(jì)算公式[14]為

(8)

式中：E為球殼材料的楊氏模量；μ為材料的泊松比。(8)式的計(jì)算比較簡單，但誤差較大，可以用較大的安全系數(shù)m予以彌補(bǔ)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》規(guī)定m=14.52.則薄壁球殼的穩(wěn)定性失效最大許用外壓ps要滿足

(9)

3 矢量水聽器耐壓球殼優(yōu)化設(shè)計(jì)

矢量水聽器耐壓球殼不發(fā)生失效，需要滿足最大許用外壓p=min(pi，ps)，由(7)式、(9)式可見，除了材料本身的參數(shù)外，球殼的最大許用外壓p只與Ri/Ro有關(guān)。為了將(7)式、(9)式去量綱化，定義一個(gè)變量X=Ri/Ro.易知X是球殼的內(nèi)外半徑之比，X∈(0,1)，該變量無量綱，X越大球殼越薄。

給定材料的許用應(yīng)力[T]和球殼的最大許用外壓p后，即可根據(jù)(7)式求得球殼滿足強(qiáng)度要求的X最大值，記為Xi，有

(10)

同樣地，給定材料的楊氏模量E、泊松比μ和球殼的最大許用外壓p后，即可根據(jù)(8)式求得球殼滿足穩(wěn)定性要求的X最大值，記為Xs，有

(11)

同振式球形矢量水聽器能承受外界靜水壓p的作用而不發(fā)生失效，要求其耐壓球殼同時(shí)滿足不發(fā)生強(qiáng)度失效和穩(wěn)定性失效的條件，則同時(shí)滿足要求的X最大值為

Xmax=min (Xi,Xs).

(12)

(13)

(14)

(15)

通過上述步驟，即可找到最合適的材料以及耐壓球殼的外半徑、厚度等尺寸參數(shù)的理論最優(yōu)解。并基于耐壓球殼的基礎(chǔ)尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后，再使用有限元仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的耐壓殼體進(jìn)行應(yīng)力分布分析和屈曲分析，以確保殼體在設(shè)計(jì)壓力下不發(fā)生強(qiáng)度失效和穩(wěn)定性失效。

4 矢量水聽器耐壓球殼設(shè)計(jì)實(shí)例

目前國內(nèi)主流水下滑翔機(jī)、剖面浮標(biāo)等水下無人平臺(tái)的工作深度已經(jīng)達(dá)到2 000 m級(jí)別，為了提供一定的安全余量，設(shè)定水聽器的設(shè)計(jì)耐壓深度為3 000 m，即p=30 MPa.

4.1 殼體材料優(yōu)選

首先要選取制作同振式矢量水聽器耐壓球殼的最優(yōu)金屬材料。表1列出了304、316L不銹鋼，6061T6、7075T6鋁合金，TC4鈦合金和H90黃銅等6種常用深海工程材料的機(jī)械屬性(表1中的數(shù)據(jù)來自材料廠家提供的產(chǎn)品說明，不同廠家生產(chǎn)的材料在相關(guān)數(shù)值上可能存在微小差異)。

表1 6種常用深海工程材料的機(jī)械屬性Tab.1 Mechanical properties of 6 kinds of commonlyused engineering materials

表2 6種材料的X和Tab.2 X and of 6 kinds of engineering materials

若某種材料滿足強(qiáng)度要求的Xi小于滿足穩(wěn)定性要求的Xs，則該材料制成滿足強(qiáng)度要求的球殼時(shí)，其穩(wěn)定性是富余的；同樣地，若某種材料的Xi大于Xs，則該材料制成滿足穩(wěn)定性要求的球殼時(shí)，其強(qiáng)度是富余的。Xi和Xs的值越接近，表明該材料制成的球殼強(qiáng)度和穩(wěn)定性越均衡。表2所示6種材料中，TC4鈦合金的Xi大于Xs，表明此種材料制成的球殼在滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，其強(qiáng)度是富余的。除TC4外，剩余材料的Xi均小于Xs，表明這些材料制成的球殼在滿足強(qiáng)度要求時(shí)，其穩(wěn)定性均是富余的。表2的材料中7075T6鋁合金和TC4鈦合金的Xi與Xs比較接近，表明這兩種材料制成的球殼強(qiáng)度和穩(wěn)定性較為均衡。

由表2可見，在滿足耐壓30 MPa前提下，表中所列6種常用工程材料中，只有6061T6、7075T6鋁合金和TC4鈦合金制成的球殼平均密度能夠?qū)崿F(xiàn)接近或小于水的密度，符合同振式球形矢量水聽器的設(shè)計(jì)要求。這其中TC4鈦合金材料的Xmax最大，即以此為材料制成的耐壓球殼最薄。而7075T6鋁合金材料制成的耐壓球殼能達(dá)到的平均密度最小，為0.64×103kg/m3，留給其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量余量最大。除此之外，7075T6鋁合金比TC4鈦合金在材料成本和加工成本上均有較大優(yōu)勢(shì)，因此7075T6鋁合金是制作矢量水聽器耐壓球殼的最優(yōu)材料。

4.2 耐壓球殼尺寸設(shè)計(jì)

4.3 耐壓性能校核

得到耐壓球殼的尺寸數(shù)據(jù)后，為確保其能夠滿足耐壓要求，對(duì)其耐壓性能進(jìn)行校核，主要考慮強(qiáng)度失效和穩(wěn)定性失效兩種情況。

4.3.1 強(qiáng)度失效

由表1可見，球殼所用材料7075T6鋁合金的許用應(yīng)力[T]=190 MPa，將其與球殼尺寸參數(shù)代入(7)式，得到該球殼的強(qiáng)度失效許用壓力為30.4 MPa，大于30 MPa，滿足耐壓要求。

4.3.2 穩(wěn)定性失效

由表1可見，7075T6鋁合金的泊松比μ=0.33，楊氏模量E=7.2×1010Pa，穩(wěn)定系數(shù)m=14.52. 將材料數(shù)據(jù)與球殼尺寸代入(8)式和(9)式，計(jì)算得其周向失穩(wěn)臨界壓力pc=611.6 MPa，周向失穩(wěn)許用壓力為42.1 MPa，大于30 MPa，滿足耐壓要求。

可見該矢量水聽器耐壓球殼能夠承受30 MPa外界靜水壓。且其周向失穩(wěn)許用壓力要大于強(qiáng)度失效許用壓力，若在該球殼外部持續(xù)增大壓力，最先發(fā)生的是強(qiáng)度失效。

4.4 矢量水聽器耐壓外殼工程設(shè)計(jì)

確定了矢量水聽器耐壓球殼的材料、外半徑、厚度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以后，就可以進(jìn)行矢量水聽器外殼的詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文采用三維建模軟件Solidworks進(jìn)行大深度球形同振式矢量水聽器的輔助設(shè)計(jì)，矢量水聽器結(jié)構(gòu)的三維剖面視圖如圖1所示。

圖1 同振式球形矢量水聽器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of co-vibrating spherical vector hydrophone

水聽器的外形為標(biāo)準(zhǔn)球形，水聽器球殼由上、下兩個(gè)半球組成，兩個(gè)半球殼的外半徑為36 mm，下半球壁厚為3 mm，上半球壁厚為4 mm. 中間采用橡膠O形圈軸向密封，為了盡量減小殼體非承壓部分的質(zhì)量，選用了比國家標(biāo)準(zhǔn)更細(xì)的美國標(biāo)準(zhǔn)O形圈，以減少O形圈安裝槽的寬度。上、下兩個(gè)半球通過球殼上的螺紋緊固，這樣不必多出緊固螺栓的安裝位置，也是為了使殼體的非承壓部分盡量小。由于上、下半球采用螺紋緊固，旋緊時(shí)兩個(gè)半球的對(duì)準(zhǔn)位置是隨機(jī)的，因此在球殼外表面中央均勻分布4個(gè)彈簧懸掛孔，而不是常規(guī)的在兩個(gè)半球殼上對(duì)稱分布兩圈彈簧懸掛孔。令下半球稍大，上半球稍小，使中央的彈簧懸掛孔全部位于下半球上。拾振傳感器用的是三軸壓電加速度計(jì)，該加速度計(jì)通過支架被安裝在球殼的中央，信號(hào)調(diào)理電路安裝在支架的另一面。注意此“中央”也是位于下半球殼，這樣當(dāng)兩個(gè)半球旋緊時(shí)，無論上、下半球間是何角度，均不影響加速度計(jì)與懸掛孔方向的對(duì)齊。裝配完成后整個(gè)矢量水聽器的質(zhì)心要與球殼的中心盡量重合，圖1中水聽器質(zhì)心位置是由三維建模軟件自動(dòng)計(jì)算得到，其位于矢量水聽器幾何中心。

設(shè)計(jì)完成的耐壓球殼薄弱區(qū)域?yàn)镺形圈槽與球殼連接處和穿倉件開孔處。對(duì)于O形圈槽與球殼連接處，增加大的圓角，使之平滑過渡，以減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)于穿倉件開孔處，一方面通過增加孔壁的厚度來提高孔壁強(qiáng)度，另一方面在孔壁與球殼內(nèi)表面過渡處添加大圓角，在孔壁與球殼的外表面過渡處增加材料，使過渡平滑，減輕應(yīng)力集中。為了彌補(bǔ)上半球殼開孔導(dǎo)致的強(qiáng)度降低問題，還將上半球殼的厚度整體增大了1 mm. 另外所采用的耐壓穿倉走線鋼質(zhì)螺栓強(qiáng)度較高，相當(dāng)于實(shí)心螺栓，對(duì)螺紋孔的支撐也比較強(qiáng)。

4.5 矢量水聽器耐壓外殼性能仿真

由圖1可見，設(shè)計(jì)完成的矢量水聽器耐壓球殼不再是一個(gè)理想的球殼，其中對(duì)耐壓性能影響最大的是在上半球開了一個(gè)較大的螺紋孔，為了彌補(bǔ)這個(gè)開孔的影響，又將上半球厚度增加了1 mm，這些改動(dòng)均沒有經(jīng)過理論計(jì)算。下面使用有限元分析的方法對(duì)矢量水聽器球殼的三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力仿真和特征值屈曲仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)好的矢量水聽器是否能夠耐受30 MPa的外壓力。使用的有限元仿真軟件為ANSYS Workbench.

4.5.1 結(jié)構(gòu)靜力仿真

將矢量水聽器球殼的三維數(shù)字模型導(dǎo)入有限元仿真軟件中，設(shè)置殼體材料為7075T6鋁合金，上殼體和堵頭之間，上、下殼體之間的接觸模式均設(shè)置為綁定模式，采用六面體方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為彎曲函數(shù)，最大尺寸設(shè)為0.8 mm. 在堵頭的上表面給定x軸、y軸、z軸方向的位移均為0 mm，以對(duì)模型進(jìn)行平移約束；在堵頭的外圓柱面設(shè)置圓柱面約束，將切向固定，以限制模型的旋轉(zhuǎn)、軸向和徑向自由；在水聽器殼體所有的外表面上施加30 MPa的壓力載荷(包括O形圈凹槽的內(nèi)表面)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。仿真得到的水聽器殼體的應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖2所示。選擇應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分析是因?yàn)樗腔诘谌龔?qiáng)度理論的當(dāng)量應(yīng)力，結(jié)果更加安全，適用于壓力容器分析。

圖2 球殼的應(yīng)力強(qiáng)度Fig.2 Stress intensity of spherical shell

由圖2可見：水聽器殼體中間由O形圈槽導(dǎo)致的環(huán)形凸起處(可以認(rèn)為是加強(qiáng)肋環(huán))的應(yīng)力強(qiáng)度較小；水聽器殼體上、下半球殼的中間部分應(yīng)力強(qiáng)度仿真值最小，其值小于202.7 MPa，此處不包括不連續(xù)和應(yīng)力集中，可認(rèn)為是一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，根據(jù)(6)式，該處薄壁球殼的一次總體薄膜應(yīng)力(也即最大主應(yīng)力)的理論計(jì)算值為187.8 MPa，與仿真結(jié)果基本吻合；在上、下球殼的內(nèi)表面大部分區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度較大，其值小于243.2 MPa，該處應(yīng)力屬于一次彎曲應(yīng)力，符合小于1.5倍許用應(yīng)力的限制；在下半球殼與中部環(huán)形凸起的連接處有一環(huán)形大應(yīng)力帶，其應(yīng)力強(qiáng)度約為324.2 MPa，這里的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力加二次應(yīng)力，其值小于3倍許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求；在上半球殼頂部與堵頭接觸的地方以及O形圈凹槽內(nèi)的極少數(shù)地方有局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為405.2 MPa，屬于一次應(yīng)力加二次應(yīng)力加峰值應(yīng)力，這種應(yīng)力不會(huì)對(duì)強(qiáng)度失效造成影響，主要會(huì)對(duì)耐壓殼體的疲勞失效產(chǎn)生一定影響。因此，該矢量水聽器球殼可以承受30 MPa外壓而不發(fā)生強(qiáng)度失效。

4.5.2 特征值屈曲仿真

接下來將水聽器球殼模型外表面的壓力載荷改為1 MPa，并在結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行特征值屈曲分析。水聽器球殼第1階屈曲模態(tài)的總形變?nèi)鐖D3所示。

圖3 球殼的總形變Fig.3 Total deformation of spherical shell

由圖3可見形變主要發(fā)生在下半球，這是因?yàn)榍驓ぴ奖∑浞€(wěn)定性越差。第1階屈曲載荷因子為680.35，因此水聽器球殼臨界失穩(wěn)壓力的仿真值為680.35 MPa，略高于公式計(jì)算得到的周向失穩(wěn)臨界壓力611.6 MPa. 所以該矢量水聽器球殼可以承受30 MPa外壓而不發(fā)生穩(wěn)定性失效。

4.6 矢量水聽器制作

矢量水聽器的上、下半球殼通過數(shù)控機(jī)床加工成型，其材質(zhì)為7075T6鋁合金，并在表面進(jìn)行陽極氧化，生成致密的氧化物保護(hù)膜，以提高表面硬度，并抑制海水腐蝕。制作完成的同振式球形矢量水聽器如圖4所示。經(jīng)實(shí)測(cè)，其質(zhì)量為274.7 g，密度為1.40×103kg/m3.

圖4 同振式球形矢量水聽器樣品Fig.4 Samples of co-vibrating spherical vector hydrophone

5 矢量水聽器性能測(cè)試

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)制作的同振式球形矢量水聽器的聲學(xué)性能和耐壓性能是否符合要求，將水聽器樣品置于駐波管內(nèi)進(jìn)行靈敏度和指向性測(cè)試，并在壓力釜內(nèi)進(jìn)行靜壓力測(cè)試。

5.1 靈敏度測(cè)試

本文中同振式矢量水聽器所用的三軸壓電加速度計(jì)的靈敏度Ma=2 500 mV/g.而矢量水聽器的振速靈敏度一般用等效自由場聲壓靈敏度Mp來表示，Mp與Ma之間有如下?lián)Q算關(guān)系：

(16)

水聽器的平均密度實(shí)測(cè)值代入(3)式，可求得|v/v0|=0.789 5，將該值代入(16)式，即可得到該矢量水聽器的理論等效聲壓靈敏度與聲波頻率的關(guān)系，如圖5中的黑色實(shí)線所示。在500 Hz處，該矢量水聽器矢量通道的理論靈敏度為-187.4 dB(0 dB 為1 V/μPa，不包括水聽器內(nèi)置前放的放大倍數(shù))，每倍頻程靈敏度增加6 dB.

矢量水聽器的振速靈敏度在駐波管中采用比較法進(jìn)行測(cè)試，駐波管的有效頻段為100～1 000 Hz. 同振式球形矢量水聽器各通道靈敏度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5中紅色星點(diǎn)所示?？梢?個(gè)矢量通道靈敏度的實(shí)測(cè)曲線與理論曲線基本一致。x通道、y通道、z通道在500 Hz處的靈敏度分別為-188.9 dB、-188.1 dB和-187.6 dB. 測(cè)量頻帶內(nèi)各矢量通道靈敏度一致性誤差不超過1.2 dB；采用最小二乘法找出3個(gè)通道的靈敏度曲線所擬合的斜線，3個(gè)通道靈敏度數(shù)據(jù)距對(duì)應(yīng)斜線的最大差值小于0.8 dB，即該水聽器的靈敏度級(jí)不穩(wěn)定性小于0.8 dB；每倍頻程靈敏度增加6 dB，與理論趨勢(shì)一致。

圖5 各通道靈敏度理論值與實(shí)測(cè)值Fig.5 Theoretical and measured sensitivities of each channel

5.2 指向性測(cè)試

同振式球形矢量水聽器3個(gè)矢量通道理論上應(yīng)具有與頻率無關(guān)的余弦指向性。采用旋轉(zhuǎn)法在駐波管內(nèi)測(cè)量同振式球形矢量水聽器的指向性，旋轉(zhuǎn)測(cè)試的角度間隔為0.4°. 分別測(cè)試了x通道、y通道、z通道在100 Hz、500 Hz、1 000 Hz處的指向性，結(jié)果顯示x通道、y通道、z通道在3個(gè)頻點(diǎn)處均具有良好的余弦指向性。x通道、y通道、z通道在500 Hz處的指向性曲線如圖6所示，從中可見x通道指向性曲線的最小凹點(diǎn)深度為34.1 dB，y通道指向性曲線的最小凹點(diǎn)深度為29.8 dB，z通道指向性曲線的最小凹點(diǎn)深度為38.9 dB. 由于矢量水聽器在凹點(diǎn)時(shí)聲波在待測(cè)通道上產(chǎn)生的信號(hào)極小，測(cè)試系統(tǒng)在工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是不停止的，此時(shí)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)噪聲借由懸掛彈簧直接傳遞到矢量水聽器上，在待測(cè)通道上產(chǎn)生的信號(hào)往往比聲波信號(hào)大得多，因此測(cè)量得到的凹點(diǎn)深度要比實(shí)際值淺很多。即便如此，3個(gè)矢量通道中最小的凹點(diǎn)深度也達(dá)到29.8 dB，可以滿足應(yīng)用需求。

圖6 各通道指向性(500 Hz)Fig.6 Directivity of each channel at 500 Hz

5.3 耐壓測(cè)試

在壓力釜內(nèi)對(duì)同振式球形水聽器進(jìn)行了靜壓力測(cè)試。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》，對(duì)于外壓容器的液壓試驗(yàn)，應(yīng)取設(shè)計(jì)壓力的1.25倍作為試驗(yàn)壓力，該矢量水聽器的設(shè)計(jì)壓力為30 MPa，因此將壓力測(cè)試的最高壓力設(shè)為37.5 MPa. 測(cè)試時(shí)，模擬水聽器隨水下滑翔機(jī)剖面滑翔的受壓模式，先勻速加壓到37.5 MPa，保壓0.5 h，再緩慢泄壓，再次勻速加壓到37.5 MPa，如此循環(huán)5次。整個(gè)加壓過程壓力釜內(nèi)沒有發(fā)生壓力突降。加壓前后2個(gè)水聽器樣品外觀無損傷，質(zhì)量一致。然后在駐波管內(nèi)對(duì)水聽器進(jìn)行聲學(xué)性能復(fù)測(cè)，測(cè)試結(jié)果顯示水聽器打壓后工作正常，其靈敏度和指向性與打壓前基本一致。證明該同振式球形矢量水聽器能夠耐受37.5 MPa水壓。

6 結(jié)論

本文針對(duì)大深度矢量水聽器耐壓性能和聲學(xué)性能的要求，提出了一種同振式球形矢量水聽器最小平均密度耐壓球殼設(shè)計(jì)方法，對(duì)工程實(shí)現(xiàn)具有重要的理論指導(dǎo)意義。得到以下主要結(jié)論：

1)分析計(jì)算了典型深海工程材料，優(yōu)選7075T6鋁合金作為矢量水聽器耐壓殼體制作材料；采用最小平均密度耐壓球殼設(shè)計(jì)方法，通過理論計(jì)算和有限元仿真，對(duì)殼體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一型大深度同振式矢量水聽器，該水聽器通過了37.5 MPa水壓測(cè)試；矢量水聽器的外形尺寸支持其工作頻率上限可達(dá)3 000 Hz，500 Hz處靈敏度為-188 dB，3個(gè)通道的靈敏度一致性誤差小于1.2 dB，靈敏度波動(dòng)均小于0.8 dB，3個(gè)通道的指向性均為理想的8字形，在有機(jī)械旋轉(zhuǎn)噪聲的情況下，凹點(diǎn)深度也高于29.8 dB.