Аналіз акустычных характарыстык п'езаэлектрычнага падводнага акустычнага пераўтваральніка

Theп'езаэлектрычны падводны акустычны пераўтваральнік - гэта падводная прылада для выяўлення, якая можа працаваць як драйвер, так і як датчык. Дакладнае прагназаванне яго акустычных характарыстык у шумным падводным асяроддзі вельмі важна для распрацоўкі трывалага і даўгавечнага пераўтваральніка. Метад канчатковых элементаў вельмі эфектыўны і практычны для аналізу розных характарыстык пераўтваральніка ў розных асяроддзях. Была створана двухмерная восесіметрычная канчаткова-элементная мадэль пераўтваральніка тыпу Tonpilz, распрацавана праграма, заснаваная на метадзе канечных элементаў, і праведзены яе дынамічны аналіз, уключаючы мадальны аналіз і аналіз гарманічнага водгуку і інш., а таксама атрыманы некаторыя акустычныя характарыстыкі. Вынікі аналізу праграм і праграмнага забеспячэння ANSYS добра супадаюць.

 

 

1 Уводзіны

Гідраакустычныя пераўтваральнікі гуляюць ключавую ролю ў гідраакустычнай тэхніцы. У апошнія гады з хуткім развіццём навукі і тэхнікі, бесперапыннай распрацоўкай новых матэрыялаў для пераўтваральнікаў і прымяненнем новых метадаў аналізу пры распрацоўцы пераўтваральнікаў з'явілася шмат новых канцэпцый і новых метадаў у даследаванні і распрацоўцы пераўтваральнікаў. У якасці разумнага матэрыялу п'езаэлектрычныя матэрыялы шырока выкарыстоўваюцца ў  электрамеханічных галінах, такіх як п'езаэлектрычныя керамічныя трансфарматары і гідралакатарныя пераўтваральнікі. Theп'езаэлектрычны гідрафонны пераўтваральнік - гэта падводная прылада выяўлення, якая можа працаваць як драйвер або датчык. У большасці прыкладанняў падводнага выяўлення п'езаэлектрычныя пераўтваральнікі дэманструюць добрую агульную прадукцыйнасць: высокую эфектыўнасць працы, гнуткую канструкцыю і высокі кошт. Дакладны папярэдні разлік яго акустычных параметраў у шумным падводным асяроддзі вельмі важны для распрацоўкі трывалага і даўгавечнага пераўтваральніка. Метад канечных элементаў (скарочана МКЭ) можа быць шырока выкарыстаны ў інжынерным аналізе. Ён можа аналізаваць прадукцыйнасць пераўтваральніка ў розных асяроддзях (напрыклад, у паветры або ў вадзе). створана двухмерная восесіметрычная канчаткова-элементная мадэль пераўтваральніка тыпу Tonpilz, які можа выконваць мадальны, падводны гарманічны водгук і аналіз допуску. Інструмент аналізу выкарыстоўвае праграму аналізу падводных датчыкаў, заснаваную на метадзе канчатковых элементаў (скарочана USAP). Гэтая праграма вельмі практычная для аналізу параметраў пераўтваральніка, які працуе ў вадзе, пакуль падрыхтаваны неабходныя ўваходныя файлы і абраны тып аналізу, можна зрабіць адпаведны аналіз.

 

2 Тэарэтычны аналіз

 

Апісанне працоўнага асяроддзя пераўтваральніка ў  вадзе 2.1

На малюнку 1 паказана рабочае асяроддзе пераўтваральніка ў вадзе. Пераўтваральнік можа быць прадстаўлены спалучэннем эластычных і разумных матэрыялаў. Вакол пераўтваральніка ўваходзіць абмежаваная акваторыя, улічваюцца розныя межы і ўмовы працы. Бясконцая мяжа вадкасці ўстаноўлена на самай вонкавай перыферыі абмежаванай акваторыі, каб зрабіць яе бліжэй да рэальнага працоўнага стану. Такім чынам, тэарэтычны аналіз уключае ўзаемасувязь паміж вадкасцю і цвёрдай структурай і сувязь паміж электрычнасцю і структурай у п'езаэлектрычных матэрыялах.

 

2.2 Канчатковы элементны аналіз поля ўзаемадзеяння вадкасці і цвёрдага цела

Аналіз гарманічнага водгуку цвёрдай структуры ў вадкім асяроддзі павінен уключаць узаемадзеянне паміж цвёрдай структурай і вадкасцю. Мяркуючы, што цвёрдая структура з'яўляецца пругкім целам, характарыстыкі яе паводзін адпавядаюць тэорыі пругкасці. Мяркуючы, што вадкасць з'яўляецца сціскальнай (гэта значыць, што шчыльнасць змяняецца са зменамі ціску), невязкай (гэта значыць, што няма вязкай дысіпацыі) і нецякучай асяроддзем, а яе сярэдняя шчыльнасць і ціск застаюцца аднастайнымі ў аналізаваным водападзеле, тады атрымаецца адпаведнае хвалевае ўраўненне. Для аналізу канечных элементаў цвёрдай структуры гэта ўраўненне ўлічвае нагрузку ціску вадкасці, якая прыкладваецца да мяжы цвёрдай структуры на мяжы вадкасці і цвёрдага цела. Дзе U — вузлавое зрушэнне; P - вузлавой ціск вадкасці; М - матрыца мас канструкцыі; C - матрыца дэмпфавання канструкцыі; К - матрыца калянасці канструкцыі; Q - матрыца вобласці сувязі на мяжы вадкасці і цвёрдага цела; f - цвёрдая структура. Вектар сілы зверху. Для аналізу канчатковых элементаў вадкасці, заснаванага на варыяцыйным прынцыпе або метадзе ўзважаных астаткаў (напрыклад, метад Галеркіна), хвалевае ўраўненне можна дыскрэтызаваць стандартным канечным элементам, і, нарэшце, можа быць атрымана ўраўненне кіравання канечнымі элементамі вадкасці. Гэта ўраўненне ўлічвае патрабаванні бесперапыннасці на мяжы вадкасць-цвёрдае цела і страты энергіі з-за згасання. Дзе Е - момант інэрцыі вадкай  матрыцы ; А - матрыца згасання вадкасці; Н - матрыца калянасці вадкасці; ρ — шчыльнасць вадкасці; правы верхні індэкс Т - транспанаванне матрыцы. Ураўненні (1) і (2) даюць ураўненні ўзаемадзеяння вадкасць-цвёрдае цела, якія можна аб'яднаць наступным чынам: f1 - вектар структурнай сілы, якая дзейнічае на мяжу вадкасць-цвёрдае цела; f2 выклікана полем пачатковай сілы хвалі (сілы хвалі). Вектар сілы, які дзейнічае на мяжу вадкасці і цвёрдага цела. Паколькі перамяшчэнне можна разглядаць як градыент патэнцыялу хуткасці, з дапамогай ураўнення (4) можа быць атрымана іншая форма выразу ўраўнення сувязі вадкасці і цвёрдага цела, адпаведнага ўраўненню (3).

 

2.3. Канчатковы элементны аналіз поля ўзаемадзеяння электрычнай структуры

П'езаэлектрычныя гідраакустычныя пераўтваральнікі выкарыстоўваюць п'езаэлектрычныя матэрыялы, таму важна разумець, як гэта працуе. На аснове квазістатычнага дапушчэння, гэта значыць, што электрычнае поле павінна быць збалансавана з полем пругкага зрушэння, можна атрымаць лінейнае ўраўненне канстытутыўнасці для п'езаэлектрычных матэрыялаў. Т - поле напружання; D - электрычнае зрушэнне; S - поле дэфармацыі; EV — электрычнае поле; e - матрыца пастаяннай электрычнай сувязі ціску; εS — матрыца дыэлектрычнай пранікальнасці; cE - матрыца пругкай калянасці п'езаэлектрычнага матэрыялу. З'яўляецца матрыцай дэмпфавання п'езаэлектрычных матэрыялаў; KUΦ - матрыца п'езаэлектрычнай сувязі; KΦΦ — матрыца дыэлектрычнай жорсткасці; F - вектар поўнай прыкладзенай сілы; G - агульны прыкладзены зарад.

 

3 Канчаткова-элементнае мадэляванне і аналіз

3.1 Канечнаэлементная мадэль пераўтваральніка тыпу Tonpilz

На малюнку 2 паказана фізічная прынцыповая схема пераўтваральніка Tonpilz, які складаецца з чатырох частак: галоўкі, хваста, нацяжнога ніта і п'езаэлектрычнай керамікі. Два кавалкі п'езаэлектрычнай керамікі заціснутыя паміж галавой і хвастом, а нацяжны ніт размешчаны ў цэнтры, каб забяспечыць цесны кантакт паміж рознымі часткамі. Галоўка пераўтваральніка цыліндрычная, таму яна мае круглую выпраменьвальную паверхню. Даследаванні паказалі, што геаметрычныя параметры кожнай часткі пераўтваральніка аказваюць непасрэдны ўплыў на яго механічныя каэфіцыенты якасці, якія можна аптымізаваць некаторымі метадамі]. Падрабязныя памеры і канкрэтныя параметры матэрыялу кожнага кампанента пераўтваральніка ў гэтым артыкуле паказаны асобна.

 

Табліца 1 і табліца 2. На малюнку 3 паказаны двухмерная восесіметрычная мадэль канчатковых элементаў і межавыя ўмовы пераўтваральніка Tonpilz. Мадэль усталявана на плоскасці XY, а яе вось сіметрыі праходзіць уздоўж восі X. Мадэль канчатковых элементаў выкарыстоўвае чатырохвугольныя восесіметрычныя элементы з чатырма вузламі для стварэння сеткі, уключаючы 193 элементы і 240 вузлоў. Два п'езаэлектрычная падводная акустыка размяшчаецца ў процілеглых палярнасцях, а кірунак палярызацыі знаходзіцца ўздоўж падоўжнага кірунку пераўтваральніка, што можа палепшыць характарыстыкі водгуку пераўтваральніка. Для ўзбуджэння або вымярэння на кантактнай паверхні, звязанай з п'езаэлектрычнай керамікай, размешчаны тры электрода. Y-кірунак абмяжоўвае знешнюю цыліндрычную паверхню галоўкі, а X-кірунак абмяжоўвае перыферыйную кантавую паверхню галоўкі блізка да п'езаэлектрычнай керамікі, але не ў кантакце з электродам. Гэта абмежаванне адлюстроўвае разгляд фактычных межавых умоў пераўтваральніка, замацаванага на галаве. Напрамак сілы пераўтваральніка - кірунак X. Калі ён працуе, ён будзе вібраваць у гэтым кірунку.

 

3.2 Мадальны аналіз пераўтваральніка Tonpilz

У табліцы 3 пералічаны першыя 5 уласных частот, атрыманых у выніку мадальнага аналізу пераўтваральніка Tonpilz у стане кароткага замыкання, і параўноўваюцца вынікі аналізу USAP і ANSYS. На малюнку 4 паказана параўнанне першых трох рэжымаў уласнай частаты. Відаць, што вынікі аналізу USAP і ANSYS добра супадаюць.

 

3.3 Аналіз гарманічнага водгуку пераўтваральніка Tonpilz тыпу ў вадзе

На малюнку 5 паказана двухмерная восесіметрычная мадэль пераўтваральніка Тонпілца ў вадзе, якая таксама падзелена чатырохвугольнымі восесіметрычнымі элементамі з 4 вузламі з 383 элементамі і 444 вузламі. Канкрэтная структура і межавыя ўмовы пераўтваральніка Tonpilz такія ж, як паказана на малюнку 3. У мадэлі на малюнку 5 галоўка пераўтваральніка Tonpilz знаходзіцца ў кантакце з пярэдняй часткай нацяжнога ніта і вадой. Пры правядзенні аналізу гарманічнага водгуку на сярэднім электродзе задаецца сінусоіднае напружанне з амплітудай 1В, а на двух астатніх электродах - 0В. Дыяпазон частот аналізу 10000 Гц ~ 50000 Гц. Дзякуючы аналізу гарманічнай характарыстыкі пераўтваральнік тыпу Tonpilz выпраменьвае характарыстыку напружання (скарочана TVR) і вынікі аналізу ціску ў вадзе, як паказана на малюнку 6. Вузел 419 выбіраецца ў якасці разліковай кропкі для аналізу. Прааналізуйце малюнак 6, каб атрымаць

Яго рэзанансная частата першага парадку складае каля 19045 Гц. На гэтай частаце размеркаванне ціску ў вадзе і дэфармацыя пераўтваральніка Tonpilz паказаны на малюнку.

 

Аналіз пропускнай здольнасці пераўтваральніка тыпу Tonpilz у вадзе

 

Адмітанс або імпеданс таксама з'яўляецца важным характарыстычным параметрам пераўтваральніка. Гэта функцыя механічных і акустычных характарыстык пераўтваральніка і з'яўляецца эфектыўным метадам для аналізу і вывучэння прадукцыйнасці пераўтваральніка. Пасля аналізу допуск тут з'яўляецца комплексным лікам, выражаным у наступным выглядзе: Падчас аналізу ўсталюйце напружанне 1 В на сярэднім электродзе і напружанне 0 В на астатніх двух электродах. Пасля разліку вынікі аналізу праводнасці і прымальнасці пераўтваральніка тыпу Тонпілца ў вадзе паказаны на малюнку 8. Як праводнасць, так і прымальнасць маюць пікі на рэзананснай частаце.

 

 

4 Заключэнне

Метад канчатковых элементаў вельмі эфектыўны і практычны для аналізу акустычных параметраў п'езаэлектрычныя акустычныя пераўтваральнікі . Восесіметрычная канчаткова-элементная мадэль пераўтваральніка тыпу Tonpilz, створаная ў гэтым артыкуле, аналізуецца праграмай USAP на прадмет дынамікі (у тым ліку гарманічнай характарыстыкі, мадальнасці і г.д.). Атрыманыя вынікі дастаткова апісваюць акустычныя параметры гэтага тыпу падводнага акустычнага пераўтваральніка. Застаюцца некаторыя недахопы ў стварэнні і аналізе мадэлі, якія патрабуюць далейшага ўдасканалення і ўдасканалення.