一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法及其补偿方法技术

本发明专利技术公开一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法及其补偿方法。基于气液二相介质弹簧刚度系数软化，根据低频声源工作深度关联选择特定工作介质，该工作介质由多种具有不同相变点的可压缩气体配比而成，通过对工作介质进行设计可控制实现与工作深度相关联匹配的具有多个相变点组合的工作介质；通过温控法对相变工作点进行微移动控制与延迟稳定；根据工作深度范围，关联选定多种气体组分组成气液二相介质弹簧的工作介质，并根据工作深度范围与相变点曲线对特定工作介质配比进行设定，实现多相变点阶梯刚度系数软化；基于工作介质的相变点设置控制及控制曲线设计，可设计出深水压力补偿器，用以解决大深度条件下声源等深水设备的压力补偿问题。补偿问题。补偿问题。

【技术实现步骤摘要】
一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法及其补偿方法


[0001]本专利技术属于的深水声源补偿
；具体涉及一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法及其补偿方法。

技术介绍

[0002]随着国家蓝海战略的推进，深远海的探测、通信与勘探作业任务越来越多，工作内容越来越丰富，但随着海水深度的增加，水下作业的难度也越来越大。在海洋里，深度每增加十米，海水的压力就增加一个大气压，因此100米水深相当于增加10个大气压力，1000米水深则相当于增加100个大气压力，每个大气压力约为100KPa，即0.1MPa，那么100米水深就是1MPa压力，1000米水深是10MPa压力。在这样的压力环境条件下，所有在深海工作的设备仪器首先必须满足耐压基本要求，同时对于很多以大气压为参考基准的工作设备就面临压力补偿问题。例如，水下声源系统，声源系统是以大气压做参比的，在深水条件下工作时就需要考虑由于外界环境压力的增加，带来的气压基准发生改变带来的系列问题，因此在深水区工作的声源面临压力补偿问题；另外潜标上的探测设备，尤其是声压传感器，通常情况下也是以大气压为参考的表压设计原理，在大水深情况下也需要考虑压力基准的补偿问题。深海潜器除了需要考虑耐受静压力之外，由于任务的多样性，很多任务用到的仪器设备也需要考虑压力补偿问题。
[0003]工作深度在100米以内的水下声源设备，可以采用气囊进行声补偿，效果良好。但随着深度的增加，气体由于被压缩程度的增加使声补偿能力迅速下降，逐渐失去补偿效果，导致声源无法有效发出声信号，因此低频声源的深海压力补偿的实现面临技术困难。一般的气囊压力补偿只能适用于100米以内浅海区的压力补偿，在深海压力补偿方面存在技术难度，国内外一直在探索研究技术解决方法，并且有一些研究进展。美国在1976年由John V.Bouyoucos申报的专利技术专利，提出采用液压驱动声源，并基于液压系统巧妙地构建了辐射版往复运动需要的内外腔结构，在内腔通过引压管联通储气罐预置压力，建立内外压力平衡，通过这种方法实现了基于内外腔压力平衡点上的液压驱动声源，实现了大深度声源的压力补偿和可靠工作，可实现20
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100赫兹频率的声波辐射，该声源的体积较大，由于采用了压力平衡条件下的声辐射，其液压系统并不需要太大的能量消耗，但整体尺寸较大，辐射版的直径为44英寸,约112厘米。中船715所也提出一种基于电机驱动的水下声源系统，并制作了声源样机，进行了低频声的有效辐射声的验证试验，但其采用气囊补偿的方案限制了其在深海应用的深度范围。采用气囊作为补偿方法可以解决100米以内深度条件下的声源补偿手段，但随着水下深度的增加，气囊中的气体由于被压缩，其刚性变得越来越大，可压缩量越来越小，在声源发声时需要将刚性气体进一步压缩才能保证并实现其活塞板的有效运动，给声源的设计带来巨大难度，以电机驱动声源为例，可能需要极高功率的大型电机才有可能在一定深度条件之下做到让辐射版运动，此时相当于在几乎没有补偿的条件下通过电机的动力克服深度压力的作用，这种情况下由于供电线缆长度限制以及能源你消耗等原
因，当超过一定深度时，在工程上仍然无法实现，因此超过100米水深采用气囊进行补偿的方法已变得不可行。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法及其补偿方法，用以解决大深度条件下声源等深水设备的压力补偿问题。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，其特征在于：所述设计方法具体为；
[0007]在多种气体具有不同的相变点特性的基础上，基于气液二相介质弹簧刚度系数软化，根据低频声源工作深度关联选择特定工作介质，该工作介质由多种具有不同相变点的可压缩气体配比而成，通过对工作介质进行设计可控制实现与工作深度相关联匹配的具有多个相变点组合的工作介质；
[0008]基于更好控制实现工作介质相变点与工作深度的匹配度，通过温控法对相变工作点进行微移动控制与延迟稳定；当工作介质相变点与海水深度对应的压力值相匹配时，此时声源工作由辐射声波回压带来的压力增加会迫使工作介质由气态向液态转化；
[0009]根据工作深度范围，关联选定多种气体组分组成气液二相介质弹簧的工作介质，并根据工作深度范围与相变点控制曲线对特定工作介质配比进行设定；实现多相变点阶梯刚度系数软化；
[0010]基于工作介质的相变点设置控制及控制曲线设计，可设计出深水压力补偿器。
[0011]一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，利用不同可压缩气体的相变点不同的特点，选定工作介质组成及配比，分阶段进行台阶式控制气液二相介质弹簧刚度变化，实现介质弹簧刚度的多阶梯软化调整，利用多个相变点分别对应多个工作深度，通过多段工作深度拼接实现连续工作深度范围的扩展。
[0012]一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，根据水下低频声源工作深度范围的不同，选取与工作深度范围所对应的海水静态压力值相匹配的相变点分别为PX1和PX2的两种气体，分别对应工作深度H1和深度H2；如果深度范围宽，则可通过选取三种或四种压缩气体扩展工作深度范围，每种气体只能实现一段有限深度变化的刚度软化；
[0013]选取相变点为PX1的气体，其相变点的压力值与工作深度H1静态压力值P1相当，
[0014]选取相变点为PX2的气体，其相变点的压力值与工作深度H2静态压力值P2相当；
[0015]P2>P1，为使工作介质保持气液二相介质状态，同时选择相变点为PX
n+1
的气体作为备底气，PX3对应工作深度要大于H1和H2深度位置处对应的海水静态压力值；
[0016]以此类推选择变点为PX
n
的气体，其相变点的压力值与工作深度H
n
静态压力值P
n
相当；P
n
>P
n
‑1。
[0017]一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，当相变点与深度无法满足准确匹配时，通过温度控制相变点上下移动达到与工作深度对应的压力匹配。
[0018]一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，设
计介质弹簧刚度系数软化的相变点控制曲线，工作深度为横坐标，介质弹簧刚度系数和相变点分别为纵坐标1和纵坐标2，介质弹簧刚度系数软化的相变点控制曲线的控制点设置使气液二相介质弹簧工作区间分为一段气体弹簧、二段气液二相介质弹簧、三段气液二相介质弹簧、四段气液二相介质弹簧；
[0019]二段气液介质弹簧刚度约等于一段气体弹簧刚度最大值，四段气液介质弹簧刚度大于二段气液介质弹簧刚度，约等于三段气体弹簧刚度最大值，四段对应第二个工作深度；通过相变点控制曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，其特征在于：所述设计方法具体为；在多种气体具有不同的相变点特性的基础上，基于气液二相介质弹簧刚度系数软化，根据低频声源工作深度关联选择特定工作介质，该工作介质由多种具有不同相变点的可压缩气体配比而成，通过对工作介质进行设计可控制实现与工作深度相关联匹配的具有多个相变点组合的工作介质；基于更好控制实现工作介质相变点与工作深度的匹配度，通过温控法对相变工作点进行微移动控制与延迟稳定；当工作介质相变点与海水深度对应的压力值相匹配时，此时声源工作由辐射声波回压带来的压力增加会迫使工作介质由气态向液态转化；根据工作深度范围，关联选定多种气体组分组成气液二相介质弹簧的工作介质，并根据工作深度范围与相变点控制曲线对特定工作介质配比进行设定；实现多相变点阶梯刚度系数软化；基于工作介质的相变点设置控制及控制曲线设计，可设计出深水压力补偿器。2.根据权利要求1所述一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，其特征在于，利用不同可压缩气体的相变点不同的特点，选定工作介质组成及配比，分阶段进行台阶式控制气液二相介质弹簧刚度变化，实现介质弹簧刚度的多阶梯软化调整，利用多个相变点分别对应多个工作深度，通过多段工作深度拼接实现连续工作深度范围的扩展。3.根据权利要求1所述一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，其特征在于，根据水下低频声源工作深度范围的不同，选取与工作深度范围所对应的海水静态压力值相匹配的相变点分别为PX1和PX2的两种气体，分别对应工作深度H1和深度H2；如果深度范围宽，则可通过选取三种或四种压缩气体扩展工作深度范围，每种气体只能实现一段有限深度变化的刚度软化；选取相变点为PX1的气体，其相变点的压力值与工作深度H1静态压力值P1相当，选取相变点为PX2的气体，其相变点的压力值与工作深度H2静态压力值P2相当；P2>P1，为使工作介质保持气液二相介质状态，同时选择相变点为PX
n+1
的气体作为备底气，PX3对应工作深度要大于H1和H2深度位置处对应的海水静态压力值；以此类推选择变点为PX
n
的气体，其相变点的压力值与工作深度H
n
静态压力值P
n
相当；P
n
>P
n
‑1。4.根据权利要求1所述一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，其特征在于，当相变点与深度无法满足准确匹配时，通过温度控制相变点上下移动达到与工作深度对应的压力匹配。5.根据权利要求1所述一种利用相变点实现气液二相介质弹簧刚度调整的深水压力补偿器设计方法，其特征在于，设计介质弹簧刚度系数软化的相变点控制曲线，工作深度为横坐标，介质弹簧刚度系数和相变点分别为纵坐标1和纵坐标2，介质弹簧刚度系数软化的相变点控制曲线的控制点设置使气液二相介质弹簧工作区间分为一段气体弹簧、二段气液二相介质弹簧、三段气液二相介质弹簧、四段气液二相介质弹簧；二段气液介质弹簧刚度约等于一段气体弹簧刚度最大值，四段气液介质弹簧刚度大于二段气液介质弹簧刚度，约等于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴胜春，张强，陈丽洁，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：