Analýza akustických charakteristik piezoelektrického podvodního akustického měniče

Thepiezoelektrický podvodní akustický měnič je podvodní detekční zařízení, které může fungovat jako ovladač i jako senzor. Přesná předpověď jeho akustických charakteristik v hlučném prostředí pod vodou je velmi důležitá pro návrh robustního a odolného měniče. Metoda konečných prvků je velmi účinná a praktická pro analýzu různých výkonů převodníku v různých prostředích. Byl sestaven dvourozměrný osově symetrický model konečných prvků převodníku typu Tonpilz, navržen program založený na metodě konečných prvků a na něm byla provedena dynamická analýza včetně modální analýzy a analýzy harmonické odezvy atd. a byly získány některé akustické charakteristiky. Výsledky analýzy programu a výsledky analýzy softwaru ANSYS ukazují dobrou shodu.

 

 

1 Úvod

Hydroakustické měniče hrají klíčovou roli v hydroakustickém inženýrství. V posledních letech, s rychlým rozvojem vědy a techniky, neustálým vývojem nových materiálů převodníků a používáním nových analytických metod při navrhování převodníků, vytvořily převodník Mnoho nových konceptů a nových metod se objevilo ve výzkumu a návrhu převodníků. Jako druh inteligentního materiálu jsou piezoelektrické materiály široce používány v  elektromechanických polích, jako jsou piezoelektrické keramické transformátory a sonarové převodníky. Thepiezoelektrický hydrofonní měnič je podvodní detekční zařízení, které může fungovat jako ovladač nebo senzor. Ve většině podvodních detekčních aplikací vykazují piezoelektrické snímače dobrý celkový výkon: vysokou efektivitu práce, flexibilní design a vysokou cenu. Přesný předběžný výpočet jeho akustických parametrů v hlučném prostředí pod vodou je velmi důležitý pro návrh robustního a odolného měniče. Metoda konečných prvků (zkráceně FEM) může být široce používána v inženýrské analýze. Dokáže analyzovat výkon převodníku v různých prostředích (jako je vzduch nebo voda). je vytvořen dvourozměrný osově symetrický model konečných prvků snímače typu Tonpilz, který může provádět modální, podvodní harmonickou odezvu a admitanční analýzu. Analytický nástroj používá program pro analýzu podvodních senzorů založený na metodě konečných prvků (zkráceně USAP). Tento program je velmi praktický pro analýzu parametrů převodníku pracujícího ve vodě, pokud jsou připraveny potřebné vstupní soubory a je vybrán typ analýzy, lze provést odpovídající analýzu.

 

2 Teoretická analýza

 

2.1 Popis pracovního prostředí převodníku  vodě ve

Obrázek 1 ukazuje pracovní prostředí převodníku ve vodě. Převodník může být reprezentován kombinací elastických a chytrých materiálů. Kolem snímače je zahrnuta omezená vodní plocha a jsou uvažovány různé hranice a pracovní podmínky. Na nejvzdálenějším okraji omezené vodní plochy je nastavena nekonečná hranice tekutiny, aby se přiblížila skutečnému pracovnímu stavu. Proto zahrnuje teoretická analýza vazbu mezi tekutou a pevnou strukturou a vazbu mezi elektřinou a strukturou v piezoelektrických materiálech.

 

2.2 Analýza metodou konečných prvků ve vazebném poli kapalina-pevná látka

Analýza harmonické odezvy pevné struktury v tekutém prostředí musí zahrnovat interakci mezi pevnou strukturou a tekutinou. Za předpokladu, že pevná struktura je elastické těleso, její charakteristiky chování odpovídají teorii pružnosti. Za předpokladu, že tekutina je stlačitelná (to znamená, že se mění hustota se změnami tlaku), neviskózní (tj. nedochází k žádné viskózní disipaci) a netekoucí médium a její průměrná hustota a tlak zůstávají v analyzovaném povodí stejnoměrné, pak splňujeme odpovídající vlnovou rovnici. Pro analýzu metodou konečných prvků pevné struktury tato rovnice zohledňuje tlakové zatížení kapaliny aplikované na rozhraní pevné struktury na rozhraní kapalina-pevná látka. Kde U je uzlový posun; P je uzlový tlak tekutiny; M je hmotnostní matice struktury; C je matrice tlumení konstrukce; K je matice tuhosti konstrukce; Q je matrice spojovací oblasti na rozhraní kapalina-pevná látka; f je pevná struktura Vektor síly nahoře. Pro fluidní analýzu konečných prvků, založenou na variačním principu nebo vážené reziduální metodě (tj. Galerkinova metoda), může být vlnová rovnice diskretizována standardním konečným prvkem a nakonec může být získána řídicí rovnice fluidního konečného prvku. Tato rovnice bere v úvahu požadavky na kontinuitu na rozhraní kapalina-pevná látka a ztrátu energie v důsledku tlumení. kde E je moment setrvačnosti kapaliny  m matice; A je tlumicí matrice kapaliny; H je matice tuhosti kapaliny; ρ je hustota kapaliny; pravý horní index T je transpozice matice. Rovnice (1) a (2) poskytují vazebné rovnice kapalina-pevná látka, které lze kombinovat následovně: f1 je vektor strukturální síly působící na rozhraní kapalina-pevná látka; f2 je způsobeno počátečním polem síly vlny (síly vlny) Vektor síly působící na rozhraní kapalina-pevná látka. Protože posun lze považovat za gradient rychlostního potenciálu, lze pomocí rovnice (4) získat jinou formu vyjádření spojovací rovnice kapalina-pevná látka konečných prvků odpovídající rovnici (3).

 

2.3 Analýza konečných prvků vazebného pole elektrické struktury

Piezoelektrické hydroakustické měniče používají piezoelektrické materiály, takže je důležité pochopit, jak to funguje. Na základě kvazistatického předpokladu, to znamená, že elektrické pole musí být v rovnováze s polem pružného posuvu, lze získat lineární konstitutivní rovnici pro piezoelektrické materiály. T je pole napětí; D je elektrický zdvih; S je pole napětí; EV je elektrické pole; e je tlak Konstantní matice elektrické vazby; εS je matice dielektrické konstanty; cE je matice elastické tuhosti piezoelektrického materiálu. Je tlumicí matrice piezoelektrických materiálů; KUΦ je piezoelektrická vazební matice; KΦΦ je matice dielektrické tuhosti; F je celkový vektor působící síly; G je celkový aplikovaný poplatek.

 

3 Modelování a analýza konečných prvků

3.1 Model konečných prvků převodníku typu Tonpilz

Obrázek 2 ukazuje fyzické schéma snímače Tonpilz, který se skládá ze čtyř částí: hlavy, patky, napínacího šroubu a piezoelektrické keramiky. Mezi hlavou a ocasem jsou vloženy dva kusy piezoelektrické keramiky a uprostřed je umístěn napínací šroub, který zajišťuje těsný kontakt mezi různými částmi. Hlava měniče je válcová, má tedy kruhovou vyzařovací plochu. Studie ukázaly, že geometrické parametry každé části převodníku mají přímý vliv na faktory mechanické kvality, které mohou být optimalizovány některými metodami]. Podrobné rozměry a konkrétní materiálové parametry každé součásti převodníku v tomto článku jsou uvedeny samostatně.

 

Tabulka 1 a Tabulka 2. Obrázek 3 ukazuje dvourozměrný osově symetrický model konečných prvků a okrajové podmínky snímače Tonpilz. Model je založen na rovině XY a jeho osa symetrie je podél osy X. Model konečných prvků používá pro síťování čtyřuzlové čtyřúhelníkové osově symetrické prvky, včetně 193 prvků a 240 uzlů. Ti dva piezoelektrická podvodní akustika je umístěna v opačných polaritách a směr polarizace je podél podélného směru měniče, což může zlepšit odezvu měniče. Na kontaktní plochu související s piezoelektrickou keramikou jsou umístěny tři elektrody pro buzení nebo měření. Směr Y omezuje vnější válcový povrch hlavy a směr X omezuje obvodový koncový povrch hlavy v blízkosti piezoelektrické keramiky, ale není v kontaktu s elektrodou. Toto omezení odráží zohlednění skutečných okrajových podmínek snímače Pevné pro hlavu. Směr síly převodníku je směr X. Když to funguje, bude vibrovat tímto směrem.

 

3.2 Modální analýza snímače Tonpilz

Tabulka 3 uvádí prvních 5 vlastních frekvencí získaných z modální analýzy snímače Tonpilz ve stavu nakrátko a porovnává výsledky analýzy USAP a ANSYS. Obrázek 4 ukazuje srovnání prvních tří režimů vlastní frekvence. Je vidět, že výsledky analýzy USAP a ANSYS jsou v dobré shodě.

 

3.3 Analýza harmonické odezvy převodníku typu Tonpilz ve vodě

Obrázek 5 ukazuje dvourozměrný osově symetrický model snímače Tonpilz ve vodě, který je také rozdělen čtyřuzlovými čtyřstrannými osově symetrickými prvky, s 383 prvky a 444 uzly. Specifická struktura a okrajové podmínky snímače Tonpilz jsou stejné jako ty, které jsou znázorněny na obrázku 3. V modelu na obrázku 5 je hlava snímače Tonpilz v kontaktu s přední stranou tažného šroubu a vodou. Při provádění analýzy harmonické odezvy je na střední elektrodě nastaveno sinusové napětí s amplitudou 1V a další dvě elektrody jsou na napětí 0V. Frekvenční rozsah analýzy je nastaven na 10000Hz~ 50000Hz. Prostřednictvím analýzy harmonické odezvy vysílá snímač typu Tonpilz napěťovou odezvu (zkráceně TVR) a výsledky analýzy tlaku ve vodě, jak je znázorněno na obrázku 6. Jako bod výpočtu, který se má analyzovat, je vybrán uzel 419. Analyzujte obrázek 6, abyste získali

Jeho rezonanční frekvence prvního řádu je kolem 19045 Hz. Při této frekvenci je na obrázku znázorněno rozložení tlaku ve vodě a deformace převodníku Tonpilz.

 

Vstupní analýza převodníku typu Tonpilz ve vodě

 

Důležitým charakteristickým parametrem převodníku je také propustnost neboli impedance. Je funkcí mechanických a akustických charakteristik převodníku a je účinnou metodou pro analýzu a studium výkonu převodníku. Po analýze je zde admitance komplexní číslo, vyjádřené v následujícím tvaru: Během analýzy nastavte napětí 1V na střední elektrodě a napětí 0V na zbývajících dvou elektrodách. Po výpočtu jsou výsledky analýzy vodivosti a susceptance převodníku typu Tonpilz ve vodě znázorněny na obrázku 8. Jak vodivost, tak susceptance mají vrcholy na rezonanční frekvenci.

 

 

4 Závěr

Metoda konečných prvků je velmi efektivní a praktická pro analýzu akustických parametrů piezoelektrické akustické měniče . Osově symetrický model konečných prvků převodníku typu Tonpilz vytvořený v tomto článku je analyzován programem USAP pro dynamiku (včetně harmonické odezvy a modální atd.). Získané výsledky přiměřeně popisují akustické parametry tohoto typu podvodního akustického měniče. Ve vytváření a analýze modelu stále existují určité nedostatky, které je třeba dále zlepšovat a zdokonalovat.