تحليل الخصائص الصوتية لمحول الطاقة الصوتي الكهرضغطي تحت الماء

المحول الطاقة الصوتي الكهرضغطي تحت الماء هو جهاز كشف تحت الماء يمكن أن يعمل كمحرك ومستشعر. يعد التنبؤ الدقيق بخصائصه الصوتية في بيئة صاخبة تحت الماء أمرًا مهمًا للغاية لتصميم محول طاقة قوي ومتين. تعتبر طريقة العناصر المحدودة فعالة وعملية للغاية لتحليل الأداء المتنوع لمحول الطاقة في بيئات مختلفة. تم إنشاء نموذج العناصر المحدودة ثنائي الأبعاد المتماثل المحوري لمحول الطاقة من نوع تونبيلز، وتم تصميم برنامج يعتمد على طريقة العناصر المحدودة، وأجري عليه التحليل الديناميكي، بما في ذلك التحليل النموذجي وتحليل الاستجابة التوافقية وغيرها، وتم الحصول على بعض الخصائص الصوتية. أظهرت نتائج تحليل البرنامج ونتائج تحليل برنامج ANSYS توافقاً جيداً.

 

 

1 مقدمة

تلعب محولات الطاقة الصوتية المائية دورًا رئيسيًا في الهندسة الصوتية المائية. في السنوات الأخيرة، مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا، أدى التطوير المستمر لمواد محولات الطاقة الجديدة وتطبيق طرق التحليل الجديدة في تصميم محولات الطاقة إلى ظهور العديد من المفاهيم الجديدة والأساليب الجديدة في البحث والتصميم. كنوع من المواد الذكية، يتم استخدام المواد الكهرضغطية على نطاق واسع في  المجالات الكهروميكانيكية، مثل محولات السيراميك الكهرضغطية ومحولات الطاقة السونار. المحول الطاقة الكهرضغطية المائية هو جهاز كشف تحت الماء، والذي يمكن أن يعمل كمحرك أو جهاز استشعار. في معظم تطبيقات الكشف تحت الماء، تُظهر محولات الطاقة الكهرضغطية أداءً عامًا جيدًا: كفاءة عمل عالية، وتصميمًا مرنًا، وأداءً عالي التكلفة. يعد إجراء حساب مسبق دقيق لمعلماته الصوتية في بيئة صاخبة تحت الماء أمرًا مهمًا للغاية لتصميم محول طاقة قوي ومتين. يمكن استخدام طريقة العناصر المحدودة (المختصرة باسم FEM) على نطاق واسع في التحليل الهندسي. يمكنه تحليل أداء محول الطاقة في بيئات مختلفة (مثل الهواء أو الماء). تم إنشاء نموذج ثنائي الأبعاد للعناصر المحدودة المتناظرة المحورية لمحول الطاقة من نوع Tonpilz، والذي يمكنه إجراء تحليل الاستجابة التوافقية والقبول تحت الماء. تستخدم أداة التحليل برنامج تحليل أجهزة الاستشعار تحت الماء استنادًا إلى طريقة العناصر المحدودة (USAP للاختصار). يعد هذا البرنامج عمليًا جدًا لتحليل معلمات محول الطاقة الذي يعمل في الماء، طالما تم إعداد ملفات الإدخال الضرورية وتم تحديد نوع التحليل، فيمكن إجراء التحليل المقابل.

 

2 التحليل النظري

 

وصف بيئة عمل محول الطاقة في  الماء 2.1

يوضح الشكل 1 بيئة عمل محول الطاقة في الماء. يمكن تمثيل محول الطاقة بمزيج من المواد المرنة والذكية. يتم تضمين منطقة مياه محدودة حول محول الطاقة، ويتم مراعاة الحدود وظروف العمل المختلفة. يتم وضع حدود سائلة لا نهائية على المحيط الخارجي لمنطقة المياه المحدودة لجعلها أقرب إلى حالة العمل الحقيقية. لذلك، يتضمن التحليل النظري المعني الاقتران بين البنية السائلة والصلبة والاقتران بين الكهرباء والبنية في المواد الكهرضغطية.

 

2.2 تحليل العناصر المحدودة لمجال اقتران السوائل الصلبة

يجب أن يتضمن تحليل الاستجابة التوافقية للبنية الصلبة في بيئة سائلة التفاعل بين البنية الصلبة والسائل. وبافتراض أن الهيكل الصلب جسم مرن فإن خصائصه السلوكية تتوافق مع نظرية المرونة. بافتراض أن السائل قابل للضغط (أي أن الكثافة تتغير مع تغير الضغط)، وغير لزج (أي لا يوجد تبديد لزج) ووسيط غير قابل للتدفق، ويظل متوسط ​​كثافته وضغطه موحدًا في مستجمعات المياه التي تم تحليلها، ثم استوفي معادلة الموجة المقابلة. بالنسبة لتحليل العناصر المحدودة للهيكل الصلب، تأخذ هذه المعادلة في الاعتبار حمل الضغط للسائل المطبق على واجهة الهيكل الصلب عند الواجهة الصلبة للسوائل. حيث U هو الإزاحة العقدية؛ P هو ضغط السائل العقدي؛ M هي مصفوفة الكتلة للهيكل. C هي مصفوفة التخميد للهيكل. K هي مصفوفة صلابة الهيكل. Q هي مصفوفة منطقة الاقتران على السطح البيني للسوائل الصلبة؛ f هو الهيكل الصلب ومتجه القوة في الأعلى. بالنسبة لتحليل العناصر المحدودة للمائع، استنادًا إلى مبدأ التباين أو الطريقة المتبقية الموزونة (أي طريقة جاليركين)، يمكن تقدير معادلة الموجة بواسطة عنصر محدد قياسي، وأخيرًا يمكن الحصول على معادلة التحكم في العناصر المحدودة للمائع. تأخذ هذه المعادلة في الاعتبار متطلبات الاستمرارية على الواجهة الصلبة والسوائل وفقدان الطاقة بسبب التخميد. حيث E هي لحظة القصور الذاتي لمصفوفة السائل  m ؛ A هي مصفوفة التخميد للسائل؛ H هي مصفوفة صلابة السائل. ρ هي كثافة السائل. الفهرس الأيمن العلوي T هو تبديل المصفوفة. تعطي المعادلتان (1) و (2) معادلات اقتران المائع والصلب، والتي يمكن دمجها على النحو التالي: f1 هو ناقل القوة الهيكلية الذي يعمل على السطح البيني للمائع والصلب؛ يحدث f2 بسبب مجال قوة الموجة الأولية (قوة الموجة) الذي يعمل على ناقل القوة على السطح البيني المائع والصلب. وبما أن الإزاحة يمكن اعتبارها تدرج إمكانات السرعة، فيمكن الحصول على شكل تعبير آخر لمعادلة اقتران العناصر المحدودة السائلة الصلبة المقابلة للمعادلة (3) من خلال المعادلة (4).

 

2.3 تحليل العناصر المحدودة لمجال اقتران الهيكل الكهربائي

تستخدم محولات الطاقة الصوتية المائية الكهرضغطية مواد كهرضغطية، لذلك من المهم فهم كيفية عملها. استناداً إلى الافتراض شبه الساكن، أي أنه يجب موازنة المجال الكهربائي مع مجال الإزاحة المرنة، يمكن الحصول على المعادلة التأسيسية الخطية للمواد الكهرضغطية. T هو مجال الإجهاد. D هو الإزاحة الكهربائية. S هو مجال السلالة؛ EV هو المجال الكهربائي. e هو الضغط المصفوفة الثابتة للاقتران الكهربائي؛ εS هي مصفوفة ثابت العزل الكهربائي؛ cE هي مصفوفة الصلابة المرنة للمادة الكهرضغطية. هي مصفوفة التخميد للمواد الكهرضغطية. KUΦ هي مصفوفة اقتران كهرضغطية؛ KΦΦ هي مصفوفة صلابة العزل الكهربائي. F هو إجمالي متجه القوة المطبقة؛ G هو إجمالي الرسوم المطبقة.

 

3 نمذجة العناصر المحدودة وتحليلها

3.1 نموذج العناصر المحدودة لمحول الطاقة من نوع Tonpilz

يوضح الشكل 2 الرسم التخطيطي الفيزيائي لمحول الطاقة Tonpilz، والذي يتكون من أربعة أجزاء: الرأس والذيل ومسمار الشد والسيراميك الكهرضغطي. يتم وضع قطعتين من السيراميك الكهرضغطي بين الرأس والذيل، ويتم وضع مسمار شد في المركز لضمان الاتصال الوثيق بين الأجزاء المختلفة. رأس محول الطاقة أسطواني، لذا فهو ذو سطح مشع دائري. أظهرت الدراسات أن المعلمات الهندسية لكل جزء من محول الطاقة لها تأثير مباشر على عوامل الجودة الميكانيكية الخاصة به، والتي يمكن تحسينها ببعض الطرق]. يتم عرض الأبعاد التفصيلية والمعلمات المادية المحددة لكل مكون من مكونات محول الطاقة في هذه المقالة بشكل منفصل.

 

الجدول 1 والجدول 2. ويبين الشكل 3 نموذج العناصر المحدودة ثنائي الأبعاد والظروف الحدودية لمحول Tonpilz. تم إنشاء النموذج على المستوى XY، ومحور تماثله يقع على طول المحور X. يستخدم نموذج العناصر المحدودة عناصر رباعية المحاور متناظرة للربط، بما في ذلك 193 عنصرًا و240 عقدة. الاثنان يتم وضع الصوتيات الكهرضغطية تحت الماء في قطبية متعاكسة، ويكون اتجاه الاستقطاب على طول الاتجاه الطولي لمحول الطاقة، مما يمكن أن يحسن أداء استجابة محول الطاقة. يتم وضع ثلاثة أقطاب كهربائية على سطح التلامس المتعلق بالسيراميك الكهرضغطي للإثارة أو القياس. يقيد الاتجاه Y السطح الأسطواني الخارجي للرأس، ويقيد الاتجاه X السطح الطرفي للرأس بالقرب من السيراميك الكهرضغطي ولكن ليس على اتصال بالقطب الكهربائي. يعكس هذا التقييد مراعاة الشروط الحدودية الفعلية لمحول الطاقة المثبت للرأس. اتجاه القوة للمحول هو الاتجاه X. عندما يعمل، فإنه سوف يهتز في هذا الاتجاه.

 

3.2 التحليل النموذجي لمحول Tonpilz

يسرد الجدول 3 أول 5 ترددات طبيعية تم الحصول عليها من التحليل المشروط لمحول Tonpilz في حالة الدائرة القصيرة، ويقارن نتائج تحليل USAP وANSYS. ويبين الشكل 4 المقارنة بين أوضاع التردد الطبيعي الثلاثة الأولى. ويمكن ملاحظة أن نتائج تحليل USAP وANSYS متفقة بشكل جيد.

 

3.3 تحليل الاستجابة التوافقية لمحول الطاقة من نوع Tonpilz في الماء

يوضح الشكل 5 نموذج ثنائي الأبعاد متماثل المحور لمحول Tonpilz في الماء، والذي ينقسم أيضًا إلى عناصر متماثلة محورية رباعية الأطراف، مع 383 عنصرًا و444 عقدة. الهيكل المحدد والظروف الحدودية لمحول Tonpilz هي نفس تلك المبينة في الشكل 3. في النموذج الموضح في الشكل 5، يكون رأس محول Tonpilz على اتصال بالوجه الأمامي لمسمار الشد والماء. عند إجراء تحليل الاستجابة التوافقية، يتم ضبط جهد جيبي بسعة 1 فولت على القطب الأوسط، ويكون القطبان الآخران بجهد 0 فولت. يتم ضبط نطاق تردد التحليل على 10000 هرتز ~ 50000 هرتز. من خلال تحليل الاستجابة التوافقية، يصدر محول الطاقة من نوع Tonpilz استجابة الجهد (TVR للاختصار) وينتج عن تحليل الضغط الماء كما هو موضح في الشكل 6. تم تحديد العقدة 419 كنقطة حسابية سيتم تحليلها. تحليل الشكل 6 للحصول على

تردد الرنين من الدرجة الأولى هو حوالي 19045 هرتز. عند هذا التردد، يظهر في الشكل توزيع الضغط في الماء وتشوه محول طاقة Tonpilz.

 

تحليل القبول لمحول الطاقة من نوع Tonpilz في الماء

 

يعد القبول أو المعاوقة أيضًا معلمة مميزة مهمة لمحول الطاقة. وهي دالة على الخصائص الميكانيكية والصوتية لمحول الطاقة، وهي طريقة فعالة لتحليل ودراسة أداء محول الطاقة. بعد التحليل، يكون القبول هنا رقمًا مركبًا، معبرًا عنه بالشكل التالي: أثناء التحليل، اضبط جهدًا قدره 1 فولت على القطب الأوسط، وجهدًا قدره 0 فولت على القطبين الكهربائيين المتبقيين. بعد الحساب، تظهر نتائج تحليل التوصيل والحساسية لمحول الطاقة من نوع Tonpilz في الماء في الشكل 8. كل من التوصيل والحساسية لهما قمم عند تردد الرنين.

 

 

4 الاستنتاج

تعتبر طريقة العناصر المحدودة فعالة وعملية للغاية لتحليل المعلمات الصوتية محولات الطاقة الصوتية الكهرضغطية . يتم تحليل نموذج العناصر المحدودة المحورية لمحول الطاقة من نوع Tonpilz الموجود في هذه الورقة بواسطة برنامج USAP للديناميكيات (بما في ذلك الاستجابة التوافقية والمشروطة، وما إلى ذلك). تصف النتائج التي تم الحصول عليها بشكل معقول المعلمات الصوتية لهذا النوع من محولات الطاقة الصوتية تحت الماء. لا تزال هناك بعض أوجه القصور في إنشاء النموذج وتحليله، والتي تحتاج إلى مزيد من التحسين والكمال.