兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 1472-1481.doi: 10.12382/bgxb.2022.0899
收稿日期:
2022-10-07
上线日期:
2023-02-10
通讯作者:
WANG Wenjie*(), YANG Long, ZHAO Xu
Received:
2022-10-07
Online:
2023-02-10
摘要:
水下航行器的传统涂覆层主要依赖于材料更新及结构优化,难以应对低频主动声波探测。基于超磁致伸缩材料设计一款轻质、薄型、耐高压的低频宽带水声发射单元,着重分析核心部件的设计优化过程,并由PSV-400激光测振仪验证有限元仿真结果。对辐射面板固定方式的模态进行分析,确定主动发射单元的最优边界约束条件。与原始构型的发射单元性能进行对比发现:在水声发射保持良好指向性的前提下,基于有限元分析2000Hz以下的最高共振频率降低超过10%;基于声振耦合分析主动发射单元在低频范围内辐射声源级最大为147.48dB,提高4.65%;发射单元声源级高于100dB的频率带宽超过1500Hz,且声功率级更高。该发射单元可为后期阵列式应用于大尺度声学覆盖层提供技术支持,具有一定的学术研究价值与广阔的工程应用前景。
中图分类号:
王文杰, 杨龙, 赵旭. 回波主动抑制的次级水声发射单元设计与优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1472-1481.
WANG Wenjie, YANG Long, ZHAO Xu. Design and Optimization of Secondary Underwater Acoustic Emission Unit for Active Echo Suppression[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(5): 1472-1481.
图1 超磁致伸缩发射单元结构图(上为三维结构图,下为剖视图)
Fig.1 Structure diagram of giant magnetostrictive emission unit (upper: three-dimensional structure diagram, below: section view)
结构 | 尺寸/mm |
---|---|
辐射面板 | ϕ170×4 |
GMM棒 | ϕ6×15 |
永磁体 | ϕ6×7 |
配重质量块 | ϕ18×18.5 |
励磁线圈 | 外径ϕ15,内径ϕ6,长37 |
外形壳体 | 截面边长31.5,高72.5 |
表1 结构尺寸参数
Table 1 Structural dimension parameters
结构 | 尺寸/mm |
---|---|
辐射面板 | ϕ170×4 |
GMM棒 | ϕ6×15 |
永磁体 | ϕ6×7 |
配重质量块 | ϕ18×18.5 |
励磁线圈 | 外径ϕ15,内径ϕ6,长37 |
外形壳体 | 截面边长31.5,高72.5 |
网格尺寸 d/mm | 频率/Hz | |||
---|---|---|---|---|
1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
1.0 | 292.51 | 761.73 | 1259.3 | 2803.5 |
1.5 | 292.92 | 761.94 | 1260.1 | 2803.9 |
2.0 | 297.01 | 762.43 | 1261.3 | 2804.6 |
2.5 | 299.14 | 762.55 | 1261.8 | 2805.5 |
3.0 | 301.82 | 763.34 | 1264.5 | 2807.5 |
表2 网格有效性验证
Table 2 Grid validity verification
网格尺寸 d/mm | 频率/Hz | |||
---|---|---|---|---|
1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
1.0 | 292.51 | 761.73 | 1259.3 | 2803.5 |
1.5 | 292.92 | 761.94 | 1260.1 | 2803.9 |
2.0 | 297.01 | 762.43 | 1261.3 | 2804.6 |
2.5 | 299.14 | 762.55 | 1261.8 | 2805.5 |
3.0 | 301.82 | 763.34 | 1264.5 | 2807.5 |
材料 | 弹性模量E/GPa | 密度ρ/(kg·m-3) | 泊松比μ |
---|---|---|---|
45号钢 | 209 | 7890 | 0.269 |
GMM | 23 | 9250 | 0.210 |
铁 | 194 | 7930 | 0.280 |
铜 | 90 | 8500 | 0.300 |
磁铁 | 113 | 3800 | 0.230 |
表3 材料参数
Table 3 Material parameters
材料 | 弹性模量E/GPa | 密度ρ/(kg·m-3) | 泊松比μ |
---|---|---|---|
45号钢 | 209 | 7890 | 0.269 |
GMM | 23 | 9250 | 0.210 |
铁 | 194 | 7930 | 0.280 |
铜 | 90 | 8500 | 0.300 |
磁铁 | 113 | 3800 | 0.230 |
结构 | 材料 | 结构 | 材料 |
---|---|---|---|
配重质量块 | 45号钢 | GMM棒 | GMM |
驱动元件 | 铁 | 励磁线圈 | 铜 |
辐射面板 | 45号钢 | 作动元件 | 45号钢 |
永磁体 | 磁铁 | 后端盖 | 铁 |
表4 结构材料
Table 4 Structural materials
结构 | 材料 | 结构 | 材料 |
---|---|---|---|
配重质量块 | 45号钢 | GMM棒 | GMM |
驱动元件 | 铁 | 励磁线圈 | 铜 |
辐射面板 | 45号钢 | 作动元件 | 45号钢 |
永磁体 | 磁铁 | 后端盖 | 铁 |
阶数 | 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | 5阶 | 6阶 |
---|---|---|---|---|---|---|
频率/Hz | 805.19 | 810.67 | 915.85 | 1418.62 | 2319.99 | 2370.49 |
表5 原始构型共振频率
Table 5 Resonance frequency of original configuration
阶数 | 1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | 5阶 | 6阶 |
---|---|---|---|---|---|---|
频率/Hz | 805.19 | 810.67 | 915.85 | 1418.62 | 2319.99 | 2370.49 |
开孔情况 | 频率/Hz | |||
---|---|---|---|---|
1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
不开孔圆盘 | 294.07 | 762.42 | 1261.25 | 2804.63 |
开三孔圆盘 | 294.34 | 762.71 | 1261.69 | 2805.59 |
开四孔圆盘 | 294.47 | 764.13 | 1261.99 | 2806.19 |
表6 仿真共振频率对比
Table 6 Comparison of simulation resonance frequencies
开孔情况 | 频率/Hz | |||
---|---|---|---|---|
1阶 | 2阶 | 3阶 | 4阶 | |
不开孔圆盘 | 294.07 | 762.42 | 1261.25 | 2804.63 |
开三孔圆盘 | 294.34 | 762.71 | 1261.69 | 2805.59 |
开四孔圆盘 | 294.47 | 764.13 | 1261.99 | 2806.19 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.018 |
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