تجزیه و تحلیل ویژگی های صوتی مبدل صوتی پیزوالکتریک زیر آب

رامبدل صوتی زیر آب پیزوالکتریک یک دستگاه تشخیص زیر آب است که می تواند هم به عنوان راننده و هم به عنوان حسگر کار کند. پیش‌بینی دقیق ویژگی‌های صوتی آن در یک محیط زیر آب پر سر و صدا برای طراحی یک مبدل قوی و بادوام بسیار مهم است. روش اجزای محدود برای تحلیل عملکردهای مختلف مبدل در محیط های مختلف بسیار موثر و کاربردی است. مدل المان محدود متقارن محوری دوبعدی مبدل نوع Tonpilz ایجاد شد، برنامه ای بر اساس روش المان محدود طراحی شد و تحلیل دینامیکی بر روی آن انجام شد که شامل آنالیز مودال و آنالیز پاسخ هارمونیک و غیره می شود و برخی ویژگی های صوتی به دست آمد. نتایج تجزیه و تحلیل برنامه و نتایج تجزیه و تحلیل نرم افزار ANSYS توافق خوبی را نشان می دهد.

 

 

1 مقدمه

مبدل های هیدروآکوستیک نقش کلیدی در مهندسی هیدروآکوستیک دارند. در سال‌های اخیر، با پیشرفت سریع علم و فناوری، توسعه مستمر مواد مبدل جدید و به‌کارگیری روش‌های جدید آنالیز در طراحی مبدل‌ها، مفاهیم جدید و روش‌های جدیدی را در تحقیقات و طراحی مبدل‌ها پدید آورده است. به عنوان نوعی ماده هوشمند، مواد پیزوالکتریک به طور گسترده در  زمینه های الکترومکانیکی مانند ترانسفورماتورهای سرامیکی پیزوالکتریک و مبدل های سونار استفاده می شود. رامبدل هیدروفون پیزوالکتریک یک دستگاه تشخیص زیر آب است که می تواند به عنوان یک راننده یا یک سنسور کار کند. در بیشتر کاربردهای تشخیص زیر آب، مبدل‌های پیزوالکتریک عملکرد کلی خوبی از خود نشان می‌دهند: راندمان کاری بالا، طراحی انعطاف‌پذیر و عملکرد هزینه بالا. پیش محاسبه دقیق پارامترهای صوتی آن در یک محیط زیر آب پر سر و صدا برای طراحی یک مبدل قوی و بادوام بسیار مهم است. روش اجزای محدود (به اختصار FEM) می تواند به طور گسترده ای در تحلیل مهندسی استفاده شود. می تواند عملکرد مبدل را در محیط های مختلف (مانند هوا یا آب) تجزیه و تحلیل کند. یک مدل المان محدود متقارن محوری دو بعدی از یک مبدل نوع Tonpilz ایجاد شده است، که می تواند پاسخ هارمونیک مودال، زیر آب و تجزیه و تحلیل پذیرش را انجام دهد. ابزار تجزیه و تحلیل از یک برنامه تحلیل حسگر زیر آب بر اساس روش اجزای محدود (به اختصار USAP) استفاده می کند. این برنامه برای تجزیه و تحلیل پارامترهای مبدل کار در آب بسیار کاربردی است، تا زمانی که فایل های ورودی لازم تهیه شده و نوع آنالیز انتخاب شده باشد، می توان آنالیز مربوطه را انجام داد.

 

2 تحلیل نظری

 

شرح محیط کار مبدل در  آب 2.1

شکل 1 محیط کار مبدل در آب را نشان می دهد. مبدل را می توان با ترکیبی از مواد الاستیک و هوشمند نشان داد. یک منطقه آبی محدود در اطراف مبدل گنجانده شده است و مرزها و شرایط کاری متفاوت در نظر گرفته شده است. یک مرز سیال نامتناهی در بیرونی ترین حاشیه منطقه محدود آب تعیین می شود تا آن را به حالت واقعی کاری نزدیکتر کند. بنابراین، تجزیه و تحلیل نظری شامل جفت بین ساختار سیال و جامد و جفت بین الکتریسیته و ساختار در مواد پیزوالکتریک است.

 

2.2 تجزیه و تحلیل المان محدود میدان جفت مایع-جامد

تجزیه و تحلیل پاسخ هارمونیک یک ساختار جامد در یک محیط سیال باید شامل برهمکنش بین ساختار جامد و سیال باشد. با فرض اینکه ساختار جامد یک جسم الاستیک است، ویژگی های رفتاری آن با تئوری کشش مطابقت دارد. با فرض اینکه سیال تراکم پذیر باشد (یعنی چگالی با تغییرات فشار تغییر می کند)، غیر چسبناک (یعنی اتلاف ویسکوز وجود ندارد) و محیط غیرقابل جریان باشد و میانگین چگالی و فشار آن در حوضه آبخیز مورد تجزیه و تحلیل یکنواخت باقی بماند، . معادله موج مربوطه را برآورده می کنیم برای تجزیه و تحلیل اجزای محدود ساختار جامد، این معادله بار فشار سیال اعمال شده به رابط ساختار جامد در فصل مشترک سیال و جامد را در نظر می گیرد. جایی که U جابجایی گره است. P فشار سیال گرهی است. M ماتریس جرم ساختار است. C ماتریس میرایی سازه است. K ماتریس سختی سازه است. Q ماتریس ناحیه جفت در سطح مشترک مایع-جامد است. f ساختار جامد است بردار نیرو در بالا. برای تحلیل اجزای محدود سیال، بر اساس اصل تغییرات یا روش باقیمانده وزنی (یعنی روش گالرکین)، می توان معادله موج را با المان محدود استاندارد گسسته کرد و در نهایت معادله کنترل المان محدود سیال را به دست آورد. این معادله الزامات پیوستگی سطح مشترک مایع-جامد و اتلاف انرژی ناشی از میرایی را در نظر می گیرد. جایی که E لحظه اینرسی دهلیز سیال  m است . A ماتریس میرایی سیال است. H ماتریس سختی سیال است. ρ چگالی سیال است. شاخص T بالا سمت راست انتقال ماتریس است. معادلات (1) و (2) معادلات جفت مایع و جامد را به دست می‌دهند که می‌توان آنها را به صورت زیر ترکیب کرد: f1 بردار نیروی ساختاری است که بر سطح مشترک سیال و جامد تأثیر می‌گذارد. f2 ناشی از میدان نیروی موج اولیه (نیروی موج) بردار نیرویی است که بر سطح مشترک سیال و جامد تأثیر می گذارد. از آنجایی که جابجایی را می توان به عنوان گرادیان پتانسیل سرعت در نظر گرفت، شکل بیان دیگری از معادله جفت المان محدود سیال-جامد مربوط به رابطه (3) را می توان از طریق رابطه (4) به دست آورد.

 

2.3 تحلیل المان محدود میدان جفت سازه الکتریکی

مبدل های هیدروآکوستیک پیزوالکتریک از مواد پیزوالکتریک استفاده می کنند، بنابراین مهم است که بدانیم چگونه کار می کند. بر اساس فرض شبه استاتیکی، یعنی میدان الکتریکی باید با میدان جابجایی الاستیک متعادل باشد، می توان معادله تشکیل دهنده خطی مواد پیزوالکتریک را به دست آورد. T میدان تنش است. D جابجایی الکتریکی است. S میدان کرنش است. EV میدان الکتریکی است. e فشار ماتریس ثابت کوپلینگ الکتریکی است. εS ماتریس ثابت دی الکتریک است. cE ماتریس سفتی الاستیک ماده پیزوالکتریک است. آیا ماتریس میرایی مواد پیزوالکتریک است. KUΦ ماتریس جفت پیزوالکتریک است. KΦΦ ماتریس سختی دی الکتریک است. F بردار نیروی اعمالی کل است. G مجموع شارژ اعمال شده است.

 

3 مدل سازی و تحلیل اجزای محدود

3.1 مدل المان محدود مبدل نوع Tonpilz

شکل 2 نمودار شماتیک فیزیکی مبدل Tonpilz را نشان می دهد که از چهار قسمت سر، دم، پیچ کششی و سرامیک پیزوالکتریک تشکیل شده است. دو تکه سرامیک پیزوالکتریک بین سر و دم ساندویچ می شود و یک پیچ کششی در مرکز قرار می گیرد تا از تماس نزدیک بین قسمت های مختلف اطمینان حاصل شود. سر مبدل استوانه ای است، بنابراین دارای سطح تابشی دایره ای است. مطالعات نشان داده است که پارامترهای هندسی هر قسمت از مبدل تأثیر مستقیمی بر عوامل کیفی مکانیکی آن دارد که با روش‌هایی قابل بهینه‌سازی است. ابعاد دقیق و پارامترهای مواد خاص هر یک از اجزای مبدل در این مقاله به طور جداگانه نشان داده شده است.

 

جدول 1 و جدول 2. شکل 3 مدل المان محدود متقارن محوری دو بعدی و شرایط مرزی مبدل Tonpilz را نشان می دهد. مدل بر روی صفحه XY ایجاد می شود و محور تقارن آن در امتداد محور X است. مدل المان محدود از عناصر متقارن محور چهار ضلعی چهار گره برای مش بندی استفاده می کند که شامل 193 عنصر و 240 گره می شود. این دو آکوستیک های پیزوالکتریک زیر آب در قطب های مخالف قرار می گیرند و جهت قطبش در امتداد جهت طولی مبدل است که می تواند عملکرد پاسخ مبدل را بهبود بخشد. سه الکترود بر روی سطح تماس مربوط به سرامیک های پیزوالکتریک برای تحریک یا اندازه گیری قرار می گیرند. جهت Y سطح استوانه ای بیرونی هد را محدود می کند و جهت X سطح انتهایی محیطی سر را نزدیک به سرامیک پیزوالکتریک اما در تماس با الکترود محدود می کند. این محدودیت منعکس کننده در نظر گرفتن شرایط مرزی واقعی مبدل ثابت برای سر است. جهت نیروی مبدل جهت X است. هنگامی که کار می کند، در این جهت می لرزد.

 

3.2 آنالیز مودال مبدل Tonpilz

جدول 3 اولین 5 فرکانس طبیعی به دست آمده از تحلیل مودال مبدل Tonpilz را در حالت اتصال کوتاه فهرست می کند و نتایج تجزیه و تحلیل USAP و ANSYS را با هم مقایسه می کند. شکل 4 مقایسه سه حالت فرکانس طبیعی اول را نشان می دهد. مشاهده می شود که نتایج تجزیه و تحلیل USAP و ANSYS مطابقت خوبی دارند.

 

3.3 تجزیه و تحلیل پاسخ هارمونیک مبدل نوع Tonpilz در آب

شکل 5 مدل متقارن محوری دوبعدی مبدل Tonpilz در آب را نشان می دهد که با عناصر متقارن محوری چهار ضلعی 4 گرهی با 383 عنصر و 444 گره نیز تقسیم شده است. ساختار خاص و شرایط مرزی مبدل Tonpilz مانند آنچه در شکل 3 نشان داده شده است. در مدل شکل 5، سر مبدل Tonpilz با وجه جلوی پیچ کششی و آب در تماس است. هنگام انجام آنالیز پاسخ هارمونیک، یک ولتاژ سینوسی با دامنه 1 ولت روی الکترود میانی تنظیم می شود و دو الکترود دیگر در ولتاژ 0 ولت هستند. محدوده فرکانس آنالیز 10000 هرتز تا 50000 هرتز تنظیم شده است. از طریق تجزیه و تحلیل پاسخ هارمونیک، مبدل نوع Tonpilz پاسخ ولتاژ (به اختصار TVR) را منتشر می کند و نتایج آنالیز فشار در آب همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. گره 419 به عنوان نقطه محاسبه برای تجزیه و تحلیل انتخاب شده است. شکل 6 را تجزیه و تحلیل کنید تا به دست آورید

فرکانس رزونانس مرتبه اول آن در حدود 19045 هرتز است. در این فرکانس، توزیع فشار در آب و تغییر شکل مبدل Tonpilz در شکل نشان داده شده است.

 

تجزیه و تحلیل پذیرش مبدل نوع Tonpilz در آب

 

پذیرش یا امپدانس نیز یک پارامتر مشخصه مهم مبدل است. این تابعی از ویژگی های مکانیکی و صوتی مبدل است و روشی موثر برای تجزیه و تحلیل و بررسی عملکرد مبدل است. پس از تجزیه و تحلیل، میزان پذیرش در اینجا یک عدد مختلط است که به شکل زیر بیان می شود: در حین تجزیه و تحلیل، ولتاژ 1 ولت را در الکترود میانی و ولتاژ 0 ولت را در دو الکترود باقی مانده تنظیم کنید. پس از محاسبه، نتایج تجزیه و تحلیل رسانایی و حساسیت مبدل نوع Tonpilz در آب در شکل 8 نشان داده شده است. هر دو هدایت و حساسیت در فرکانس رزونانس پیک دارند.

 

 

4 نتیجه گیری

روش اجزای محدود برای تجزیه و تحلیل پارامترهای صوتی بسیار موثر و کاربردی است مبدل های صوتی پیزوالکتریک مدل المان محدود متقارن محوری مبدل نوع Tonpilz ایجاد شده در این مقاله توسط برنامه USAP برای دینامیک (شامل پاسخ هارمونیک و مدال و غیره) تجزیه و تحلیل می‌شود. نتایج به‌دست‌آمده به‌طور منطقی پارامترهای صوتی این نوع مبدل صوتی زیر آب را توصیف می‌کنند. هنوز کاستی هایی در ایجاد و تجزیه و تحلیل مدل وجود دارد که نیاز به بهبود و تکمیل بیشتر دارد.