Analyse af akustiske egenskaber af piezoelektrisk akustisk undervandstransducer

Depiezoelektrisk akustisk undervandstransducer er en undervandsdetektionsenhed, der kan fungere som både driver og sensor. Nøjagtig forudsigelse af dens akustiske egenskaber i et støjende undervandsmiljø er meget vigtigt for designet af en robust og holdbar transducer. Finite element-metoden er meget effektiv og praktisk til at analysere transducerens forskellige ydelser i forskellige miljøer. En todimensionel aksesymmetrisk finite element model af en Tonpilz-type transducer blev etableret, et program baseret på finite element metoden blev designet, og dynamisk analyse blev udført på det, herunder modal analyse og harmonisk respons analyse, etc., og nogle akustiske karakteristika blev opnået. Resultaterne af programanalysen og ANSYS softwareanalyseresultaterne viser en god overensstemmelse.

 

 

1 Indledning

Hydroakustiske transducere spiller en nøglerolle i hydroakustisk teknik. I de senere år, med den hurtige udvikling af videnskab og teknologi, har den kontinuerlige udvikling af nye transducermaterialer og anvendelse af nye analysemetoder i design af transducere gjort transduceren Mange nye koncepter og nye metoder er opstået i forskning og design af. Som en slags smart materiale bruges piezoelektriske materialer i vid udstrækning inden for  elektromekaniske felter, såsom piezoelektriske keramiske transformere og sonartransducere. Depiezoelektrisk hydrofontransducer er en undervandsdetektionsenhed, der kan fungere som en driver eller en sensor. I de fleste undervandsdetektionsapplikationer viser piezoelektriske transducere god samlet ydeevne: høj arbejdseffektivitet, fleksibelt design og høj omkostningsydelse. Præcis forudberegning af dets akustiske parametre i et støjende undervandsmiljø er meget vigtigt for designet af en robust og holdbar transducer. Finite element-metoden (forkortet FEM) kan bruges i vid udstrækning i ingeniøranalyse. Den kan analysere transducerens ydeevne i forskellige miljøer (såsom i luften eller i vandet). der etableres en todimensionel aksesymmetrisk finite element-model af en Tonpilz-type transducer, som kan udføre modal, undervands harmonisk respons og admittansanalyse. Analyseværktøjet bruger et undervandssensoranalyseprogram baseret på finite element-metoden (forkortet USAP). Dette program er meget praktisk til at analysere parametrene for transduceren, der arbejder i vandet, så længe de nødvendige inputfiler er forberedt og analysetypen er valgt, kan den tilsvarende analyse foretages.

 

2 Teoretisk analyse

 

Beskrivelse af transducerens arbejdsmiljø i  vandet 2.1

Figur 1 viser transducerens arbejdsmiljø i vand. Transduceren kan repræsenteres af en kombination af elastiske og smarte materialer. Et begrænset vandområde er inkluderet omkring transduceren, og forskellige grænser og arbejdsforhold tages i betragtning. En uendelig væskegrænse er sat i den yderste periferi af det begrænsede vandområde for at gøre det tættere på den virkelige arbejdstilstand. Derfor omfatter den involverede teoretiske analyse koblingen mellem flydende og fast struktur og koblingen mellem elektricitet og struktur i piezoelektriske materialer.

 

2.2 Finite element analyse af fluid-fast koblingsfelt

Den harmoniske responsanalyse af en fast struktur i et flydende miljø skal involvere interaktionen mellem den faste struktur og fluiden. Hvis vi antager, at den faste struktur er et elastisk legeme, er dets adfærdsegenskaber i overensstemmelse med teorien om elasticitet. Hvis man antager, at væsken er komprimerbar (det vil sige, at densiteten ændres med trykændringer), ikke-viskøs (det vil sige, at der ikke er nogen viskøs dissipation) og ikke-flydende medium, og dets gennemsnitlige tæthed og tryk forbliver ensartet i det analyserede vandskel, så opfylder man den tilsvarende bølgeligning. Til den endelige elementanalyse af den faste struktur tager denne ligning hensyn til trykbelastningen af ​​væsken, der påføres den faste strukturs grænseflade ved væske-faststofgrænsefladen. Hvor U er knudeforskydningen; P er nodalvæsketrykket; M er strukturens massematrix; C er strukturens dæmpningsmatrix; K er strukturens stivhedsmatrix; Q er koblingsarealmatrixen på væske-faststof-grænsefladen; f er den faste struktur Kraftvektoren på toppen. Til fluid finite element-analyse, baseret på variationsprincippet eller den vægtede residualmetode (dvs. Galerkin-metoden), kan bølgeligningen diskretiseres af standard finite element, og endelig kan fluid finite element-kontrolligningen opnås. Denne ligning tager højde for kontinuitetskravene på væske-faststof-grænsefladen og energitabet som følge af dæmpning. Hvor E er inertimomentet for væskem  atricen ; A er væskens dæmpningsmatrix; H er væskens stivhedsmatrix; ρ er væskens massefylde; det øverste højre indeks T er transponeringen af ​​matricen. Ligning (1) og (2) giver væske-faststof-koblingsligningerne, som kan kombineres som følger: f1 er den strukturelle kraftvektor, der virker på væske-faststof-grænsefladen; f2 er forårsaget af det indledende bølgekraftfelt (bølgekraft) Kraftvektoren, der virker på væske-faststof-grænsefladen. Da forskydningen kan betragtes som gradienten af ​​hastighedspotentialet, kan en anden udtryksform af fluid-fast finite element koblingsligningen svarende til ligning (3) opnås gennem ligning (4).

 

2.3 Finite element analyse af elektrisk strukturkoblingsfelt

Piezoelektriske hydroakustiske transducere bruger piezoelektriske materialer, så det er vigtigt at forstå, hvordan det virker. Baseret på den kvasistatiske antagelse, det vil sige at det elektriske felt skal balanceres med det elastiske forskydningsfelt, kan den lineære konstitutive ligning for piezoelektriske materialer opnås. T er stressfeltet; D er den elektriske forskydning; S er belastningsfeltet; EV er det elektriske felt; e er trykket Elektrisk koblingskonstant matrix; εS er den dielektriske konstantmatrix; cE er den elastiske stivhedsmatrix af det piezoelektriske materiale. Er den dæmpende matrix af piezoelektriske materialer; KUΦ er den piezoelektriske koblingsmatrix; KΦΦ er den dielektriske stivhedsmatrix; F er den samlede påførte kraftvektor; G er den samlede påførte afgift.

 

3 Finite element modellering og analyse

3.1 Finite element model af Tonpilz type transducer

Figur 2 viser det fysiske skematisk diagram af Tonpilz-transduceren, som består af fire dele: hoved, hale, spændingsbolt og piezoelektrisk keramik. To stykker piezoelektrisk keramik er klemt mellem hovedet og halen, og en spændingsbolt er placeret i midten for at sikre tæt kontakt mellem de forskellige dele. Transducerhovedet er cylindrisk, så det har en cirkulær udstrålende overflade. Undersøgelser har vist, at de geometriske parametre for hver del af transduceren har en direkte indflydelse på dens mekaniske kvalitetsfaktorer, som kan optimeres med nogle metoder]. De detaljerede dimensioner og specifikke materialeparametre for hver komponent af transduceren i denne artikel er vist separat.

 

Tabel 1 og Tabel 2. Figur 3 viser den todimensionelle aksesymmetriske endelige elementmodel og grænsebetingelser for Tonpilz-transduceren. Modellen er etableret på XY-planet, og dens symmetriakse er langs X-aksen. Finite element-modellen bruger firkantede aksesymmetriske elementer med fire knudepunkter til meshing, herunder 193 elementer og 240 knudepunkter. De to piezoelektrisk undervandsakustik er placeret i modsatte polariteter, og polarisationsretningen er langs transducerens længderetning, hvilket kan forbedre transducerens responsydelse. Tre elektroder er placeret på kontaktfladen relateret til piezoelektrisk keramik til excitation eller måling. Y-retningen begrænser den ydre cylindriske overflade af hovedet, og X-retningen begrænser den perifere endeflade af hovedet tæt på det piezoelektriske keramik, men ikke i kontakt med elektroden. Denne begrænsning afspejler hensynet til de faktiske grænsebetingelser for transduceren Fastgjort til hovedet. Transducerens kraftretning er X-retningen. Når det virker, vil det vibrere i denne retning.

 

3.2 Modal analyse af Tonpilz transducer

Tabel 3 viser de første 5 naturlige frekvenser opnået fra den modale analyse af Tonpilz-transduceren i kortslutningstilstanden og sammenligner analyseresultaterne fra USAP og ANSYS. Figur 4 viser sammenligningen af ​​de første tre egenfrekvenstilstande. Det kan ses, at analyseresultaterne fra USAP og ANSYS stemmer godt overens.

 

3.3 Harmonisk responsanalyse af Tonpilz-type transducer i vand

Figur 5 viser den todimensionelle aksesymmetriske model af Tonpilz-transduceren i vand, som også er opdelt af 4-knude firsidede aksesymmetriske elementer med 383 elementer og 444 noder. Tonpilz-transducerens specifikke struktur og grænsebetingelser er de samme som dem, der er vist i figur 3. I modellen i figur 5 er Tonpilz-transducerens hoved i kontakt med forsiden af ​​spændingsbolten og vand. Ved udførelse af harmonisk responsanalyse indstilles en sinusformet spænding med en amplitude på 1V på den midterste elektrode, og de to andre elektroder har en spænding på 0V. Frekvensområdet for analysen er sat til 10000Hz~ 50000Hz. Gennem den harmoniske responsanalyse udsender transduceren af ​​Tonpilz-typen spændingsrespons (TVR for kort) og trykanalyseresultater i vand som vist i figur 6. Node 419 er valgt som det beregningspunkt, der skal analyseres. Analyser figur 6 for at få

Dens første ordens resonansfrekvens er omkring 19045Hz. Ved denne frekvens er trykfordelingen i vandet og deformationen af ​​Tonpilz transduceren vist på figuren.

 

Admissionsanalyse af Tonpilz-type transducer i vand

 

Admittans eller impedans er også en vigtig karakteristisk parameter for transduceren. Det er en funktion af transducerens mekaniske og akustiske karakteristika og er en effektiv metode til at analysere og studere transducerens ydeevne. Efter analyse er adgangen her et komplekst tal, udtrykt i følgende form: Under analysen indstilles en spænding på 1V på den midterste elektrode og en spænding på 0V på de resterende to elektroder. Efter beregning er analyseresultaterne af konduktansen og susceptansen af ​​Tonpilz-type transduceren i vand vist i figur 8. Både konduktans og susceptans har toppe ved resonansfrekvensen.

 

 

4 Konklusion

Finite element metoden er meget effektiv og praktisk til at analysere de akustiske parametre for piezoelektriske akustiske transducere . Den aksesymmetriske finite element-model af Tonpilz-transduceren, der er etableret i dette papir, er analyseret af USAP-programmet for dynamik (herunder harmonisk respons og modal osv.). De opnåede resultater beskriver rimeligt de akustiske parametre for denne type akustiske undervandstransducere. Der er stadig nogle mangler i etableringen og analysen af ​​modellen, som skal forbedres og perfektioneres yderligere.