Ontleding van akoestiese kenmerke van piëso-elektriese onderwater akoestiese transducer

Diepiëzo-elektriese onderwater akoestiese transducer is 'n onderwater opsporing toestel wat kan werk as beide 'n drywer en 'n sensor. Akkurate voorspelling van sy akoestiese eienskappe in 'n lawaaierige onderwater-omgewing is baie belangrik vir die ontwerp van 'n robuuste en duursame transducer. Die eindige element metode is baie effektief en prakties vir die ontleding van die verskillende werkverrigtings van die omskakelaar in verskillende omgewings. 'n Tweedimensionele asimmetriese eindige element model van 'n Tonpilz-tipe transducer is daargestel, 'n program gebaseer op die eindige element metode is ontwerp, en dinamiese analise is daarop uitgevoer, insluitend modale analise en harmoniese respons analise, ens., en sommige akoestiese eienskappe is verkry. Die resultate van die programontleding en die ANSYS-sagteware-ontledingsresultate toon 'n goeie ooreenkoms.

 

 

1 Inleiding

Hidro-akoestiese omskakelaars speel 'n sleutelrol in hidro-akoestiese ingenieurswese. In onlangse jare, met die vinnige ontwikkeling van wetenskap en tegnologie, het die voortdurende ontwikkeling van nuwe transducer materiaal en die toepassing van nuwe analise metodes in die ontwerp van transducers die transducer gemaak Baie nuwe konsepte en nuwe metodes het na vore gekom in die navorsing en ontwerp van. As 'n soort slim materiaal word piëzo-elektriese materiale wyd gebruik in  elektromeganiese velde, soos piëzo-elektriese keramiektransformators en sonar-omskakelaars. Diepiëzo-elektriese hidrofoon-omskakelaar is 'n onderwater-opsporingstoestel wat as 'n drywer of 'n sensor kan werk. In die meeste onderwater-opsporingstoepassings toon piëzo-elektriese transduktors goeie algehele werkverrigting: hoë werkdoeltreffendheid, buigsame ontwerp en hoë koste-werkverrigting. Om die akoestiese parameters daarvan in 'n raserige onderwateromgewing akkuraat vooraf te bereken, is baie belangrik vir die ontwerp van 'n robuuste en duursame omskakelaar. Die eindige element metode (afgekort as FEM) kan wyd gebruik word in ingenieursanalise. Dit kan die werkverrigting van die omskakelaar in verskillende omgewings (soos in die lug of in die water) ontleed. 'n twee-dimensionele asimmetriese eindige element model van 'n Tonpilz-tipe transducer word gevestig, wat modale, onderwater harmoniese respons en admittansie analise kan uitvoer. Die ontledingsinstrument gebruik 'n onderwatersensor-analiseprogram gebaseer op die eindige-elementmetode (kortweg USAP). Hierdie program is baie prakties vir die ontleding van die parameters van die omskakelaar wat in die water werk, solank die nodige insetlêers voorberei is en die ontledingstipe gekies word, kan die ooreenstemmende ontleding gemaak word.

 

2 Teoretiese analise

 

2.1 Beskrywing van die werksomgewing van die transducer in  die  water

Figuur 1 toon die werksomgewing van die transducer in water. Die transducer kan voorgestel word deur 'n kombinasie van elastiese en slim materiale. ’n Beperkte waterarea is rondom die transducer ingesluit, en verskillende grense en werksomstandighede word oorweeg. ’n Oneindige vloeistofgrens word aan die buitenste periferie van die beperkte watergebied gestel om dit nader aan die werklike werkende toestand te maak. Daarom sluit die betrokke teoretiese analise die koppeling tussen vloeibare en vaste struktuur en die koppeling tussen elektrisiteit en struktuur in piëso-elektriese materiale in.

 

2.2 Eindige element-analise van vloeistof-vaste stof koppelingsveld

Die harmoniese reaksie-analise van 'n vaste struktuur in 'n vloeibare omgewing moet die interaksie tussen die vaste struktuur en die vloeistof behels. As aanvaar word dat die soliede struktuur 'n elastiese liggaam is, stem sy gedragskenmerke ooreen met die teorie van elastisiteit. As aanvaar word dat die vloeistof saamdrukbaar is (dit wil sê die digtheid verander met drukveranderinge), nie-viskos (dit wil sê daar is geen viskeuse dissipasie nie) en nie-vloeibare medium, en sy gemiddelde digtheid en druk bly uniform in die geanaliseerde waterskeiding, dan voldoen aan die ooreenstemmende golfvergelyking. Vir die eindige element-analise van die vastestofstruktuur, neem hierdie vergelyking die druklading van die vloeistof in ag wat op die soliede struktuur-koppelvlak by die vloeistof-vastestof-koppelvlak toegepas word. Waar U die nodale verplasing is; P is die nodale vloeistofdruk; M is die massamatriks van die struktuur; C is die dempmatriks van die struktuur; K is die styfheidsmatriks van die struktuur; Q is die koppelingsareamatriks op die vloeistof-vaste stof-koppelvlak; f is die vaste struktuur Die kragvektor bo-op. Vir vloeibare eindige element analise, gebaseer op die variasiebeginsel of die geweegde residu metode (dws Galerkin metode), kan die golfvergelyking gediskretiseer word deur standaard eindige element, en uiteindelik kan die vloeistof eindige element beheer vergelyking verkry word. Hierdie vergelyking neem die kontinuïteitsvereistes op die vloeistof-vaste stof-koppelvlak en die energieverlies as gevolg van demping in ag. Waar E die traagheidsmoment van die vloeistofm  atriks is ; A is die dempmatriks van die vloeistof; H is die styfheidsmatriks van die vloeistof; ρ is die digtheid van die vloeistof; die boonste regterkantse indeks T is die transponeer van die matriks. Vergelykings (1) en (2) gee die vloeistof-vastestof-koppelingsvergelykings, wat soos volg gekombineer kan word: f1 is die strukturele kragvektor wat op die vloeistof-vastestof-koppelvlak inwerk; f2 word veroorsaak deur die aanvanklike golfkrag (golfkrag) veld Die kragvektor wat op die vloeistof-vaste stof koppelvlak inwerk. Aangesien die verplasing as die gradiënt van die snelheidspotensiaal beskou kan word, kan 'n ander uitdrukkingsvorm van die vloeistof-vaste eindige element koppelingsvergelyking wat ooreenstem met die vergelyking (3) verkry word deur vergelyking (4).

 

2.3 Eindige element analise van elektriese struktuur koppelingsveld

Piëso-elektriese hidro-akoestiese omskakelaars gebruik piëso-elektriese materiale, daarom is dit belangrik om te verstaan ​​hoe dit werk. Gebaseer op die kwasi-statiese aanname, dit wil sê die elektriese veld moet gebalanseer word met die elastiese verplasingsveld, kan die lineêre konstitutiewe vergelyking vir piëso-elektriese materiale verkry word. T is die stresveld; D is die elektriese verplasing; S is die vervormingsveld; EV is die elektriese veld; e is die druk Elektriese koppeling konstante matriks; εS is die diëlektriese konstante matriks; cE is die elastiese styfheidsmatriks van die piëso-elektriese materiaal. Is die dempmatriks van piëso-elektriese materiale; KUΦ is die piëso-elektriese koppelingsmatriks; KΦΦ is die diëlektriese styfheidsmatriks; F is die totale toegepaste kragvektor; G is die totale toegepaste heffing.

 

3 Eindige element modellering en analise

3.1 Eindige element model van Tonpilz tipe transducer

Figuur 2 toon die fisiese skematiese diagram van die Tonpilz-omskakelaar, wat uit vier dele bestaan: kop, stert, spanningbout en piëso-elektriese keramiek. Twee stukke piëzo-elektriese keramiek is tussen die kop en die stert vasgedruk, en 'n spanningsbout word in die middel geplaas om noue kontak tussen die verskillende dele te verseker. Die transduktorkop is silindries, dus het dit 'n sirkelvormige stralende oppervlak. Studies het getoon dat die geometriese parameters van elke deel van die transducer 'n direkte impak op sy meganiese kwaliteitsfaktore het, wat deur sommige metodes geoptimaliseer kan word]. Die gedetailleerde afmetings en spesifieke materiaalparameters van elke komponent van die transducer in hierdie artikel word afsonderlik getoon.

 

Tabel 1 en Tabel 2. Figuur 3 toon die tweedimensionele asimmetriese eindige elementmodel en grenstoestande van die Tonpilz-omskakelaar. Die model is op die XY-vlak gevestig, en sy simmetrie-as is langs die X-as. Die eindige element model gebruik vier-node vierhoekige aksimmetriese elemente vir ineenskakeling, insluitend 193 elemente en 240 nodusse. Die twee piëzo-elektriese onderwater akoestiek word in teenoorgestelde polariteite geplaas, en die polarisasie rigting is langs die lengterigting van die transducer, wat die reaksie prestasie van die transducer kan verbeter. Drie elektrodes word op die kontakoppervlak wat verband hou met piëso-elektriese keramiek geplaas vir opwekking of meting. Die Y-rigting beperk die buitenste silindriese oppervlak van die kop, en die X-rigting beperk die perifere eindoppervlak van die kop naby die piëso-elektriese keramiek, maar nie in kontak met die elektrode nie. Hierdie beperking weerspieël die oorweging van die werklike grenstoestande van die transducer Vasgestel vir die kop. Die kragrigting van die transducer is die X-rigting. Wanneer dit werk, sal dit in hierdie rigting vibreer.

 

3.2 Modale analise van Tonpilz-omskakelaar

Tabel 3 lys die eerste 5 natuurlike frekwensies verkry uit die modale analise van die Tonpilz-omskakelaar in die kortsluitingtoestand, en vergelyk die ontledingsresultate van USAP en ANSYS. Figuur 4 toon die vergelyking van die eerste drie natuurlike frekwensie modusse. Daar kan gesien word dat die ontledingsresultate van USAP en ANSYS goed ooreenstem.

 

3.3 Harmoniese reaksie-analise van Tonpilz-tipe transduktor in water

Figuur 5 toon die tweedimensionele aksimmetriese model van die Tonpilz-omskakelaar in water, wat ook gedeel word deur 4-nodus vierhoekige aksimmetriese elemente, met 383 elemente en 444 nodusse. Die spesifieke struktuur en grenstoestande van die Tonpilz-omskakelaar is dieselfde as dié wat in Figuur 3 getoon word. In die model in Figuur 5 is die kop van die Tonpilz-omskakelaar in kontak met die voorkant van die spanningbout en water. Wanneer harmoniese reaksie-analise uitgevoer word, word 'n sinusvormige spanning met 'n amplitude van 1V op die middelste elektrode gestel, en die ander twee elektrodes is op 'n spanning van 0V. Die frekwensiereeks van die analise is ingestel op 10000Hz~ 50000Hz. Deur die harmoniese reaksie-analise gee die Tonpilz-tipe transducer spanningsrespons (TVR vir kort) uit en drukontledingsresultate in water soos getoon in Figuur 6. Node 419 word gekies as die berekeningspunt wat ontleed moet word. Ontleed Figuur 6 om te kry

Die eerste-orde resonansie frekwensie is ongeveer 19045Hz. By hierdie frekwensie word die drukverspreiding in die water en die vervorming van die Tonpilz-omskakelaar in die figuur getoon.

 

Toelatingsanalise van Tonpilz tipe transducer in water

 

Admittansie of impedansie is ook 'n belangrike kenmerkende parameter van die transducer. Dit is 'n funksie van die meganiese en akoestiese eienskappe van die omskakelaar, en is 'n effektiewe metode om die werkverrigting van die omskakelaar te ontleed en te bestudeer. Na analise is die toelating hier 'n komplekse getal, uitgedruk in die volgende vorm: Stel tydens analise 'n spanning van 1V op die middelste elektrode, en 'n spanning van 0V op die oorblywende twee elektrodes. Na berekening word die ontledingsresultate van die geleiding en susceptansie van die Tonpilz-tipe transducer in water in Figuur 8 getoon. Beide geleiding en susceptansie het pieke by die resonansie frekwensie.

 

 

4 Gevolgtrekking

Die eindige element metode is baie effektief en prakties vir die ontleding van die akoestiese parameters van piëzo-elektriese akoestiese omskakelaars . Die aksimmetriese eindige element-model van die Tonpilz-tipe transducer wat in hierdie vraestel gevestig is, word ontleed deur die USAP-program vir dinamika (insluitend harmoniese respons en modaal, ens.). Die resultate wat verkry is, beskryf redelik die akoestiese parameters van hierdie tipe onderwater akoestiese transducer. Daar is nog 'n paar tekortkominge in die daarstelling en ontleding van die model, wat verder verbeter en vervolmaak moet word.