Pietsosähköisen vedenalaisen akustisen muuntimen akustisten ominaisuuksien analyysi

ThePietsosähköinen vedenalainen akustinen anturi on vedenalainen tunnistuslaite, joka voi toimia sekä kuljettajana että anturina. Sen akustisten ominaisuuksien tarkka ennustaminen meluisassa vedenalaisessa ympäristössä on erittäin tärkeää vankan ja kestävän anturin suunnittelussa. Elementtimenetelmä on erittäin tehokas ja käytännöllinen analysoimaan anturin eri suorituskykyä eri ympäristöissä. Tonpilz-tyyppisestä anturista laadittiin kaksiulotteinen akselisymmetrinen elementtimalli, suunniteltiin elementtimenetelmään perustuva ohjelma ja sille tehtiin dynaaminen analyysi, mukaan lukien modaalianalyysi ja harmoninen vasteanalyysi jne. ja saatiin joitain akustisia ominaisuuksia. Ohjelma-analyysin tulokset ja ANSYS-ohjelmistoanalyysin tulokset osoittavat hyvää yhtäpitävyyttä.

 

 

1 Johdanto

Hydroakustisilla muuntimilla on keskeinen rooli hydroakustisessa suunnittelussa. Viime vuosina tieteen ja tekniikan nopean kehityksen myötä uusien anturimateriaalien jatkuva kehittäminen ja uusien analyysimenetelmien soveltaminen muuntimien suunnittelussa ovat tehneet antureista Paljon uusia konsepteja ja uusia menetelmiä tutkimuksessa ja suunnittelussa. Eräänlaisena älykkäänä materiaalina pietsosähköisiä materiaaleja käytetään laajasti  sähkömekaanisissa kentissä, kuten pietsosähköisissä keraamisissa muuntajissa ja kaikuluotaimissa. Thepietsosähköinen hydrofonianturi on vedenalainen tunnistuslaite, joka voi toimia ohjaimena tai anturina. Useimmissa vedenalaisissa tunnistussovelluksissa pietsosähköisillä muuntimilla on hyvä kokonaissuorituskyky: korkea työteho, joustava muotoilu ja korkea kustannustehokkuus. Sen akustisten parametrien tarkka ennakkolaskenta meluisassa vedenalaisessa ympäristössä on erittäin tärkeää kestävän ja kestävän anturin suunnittelussa. Elementtimenetelmää (lyhennettynä FEM) voidaan käyttää laajasti teknisessä analyysissä. Se voi analysoida anturin suorituskykyä eri ympäristöissä (kuten ilmassa tai vedessä). perustetaan kaksiulotteinen akselisymmetrinen elementtimalli Tonpilz-tyyppisestä muuntimesta, joka pystyy suorittamaan modaalista, vedenalaista harmonista vastetta ja sisäänpääsyanalyysiä. Analyysityökalu käyttää vedenalaista anturianalyysiohjelmaa, joka perustuu elementtimenetelmään (lyhennettynä USAP). Tämä ohjelma on erittäin käytännöllinen vedessä toimivan anturin parametrien analysointiin, kunhan tarvittavat syöttötiedostot on valmisteltu ja analyysityyppi on valittu, vastaava analyysi voidaan tehdä.

 

2 Teoreettinen analyysi

 

Kuvaus anturin työympäristöstä  vedessä 2.1

Kuvassa 1 on esitetty anturin työympäristö vedessä. Anturi voidaan esittää yhdistelmällä elastisia ja älykkäitä materiaaleja. Anturin ympärillä on rajoitettu vesialue, ja erilaiset rajat ja työolosuhteet huomioidaan. Rajoitetun vesialueen uloimmalle reunalle asetetaan ääretön nesteen raja, jotta se lähempänä todellista toimintatilaa. Siksi mukana oleva teoreettinen analyysi sisältää nesteen ja kiinteän rakenteen välisen kytkennän sekä sähkön ja rakenteen välisen kytkennän pietsosähköisissä materiaaleissa.

 

2.2 Neste-kiintoaine-kytkentäkentän äärelliselementtianalyysi

Nesteympäristössä olevan kiinteän rakenteen harmonisen vasteanalyysin tulee sisältää kiinteän rakenteen ja nesteen välinen vuorovaikutus. Olettaen, että kiinteä rakenne on elastinen kappale, sen käyttäytymisominaisuudet vastaavat elastisuusteoriaa. Jos oletetaan, että neste on kokoonpuristuva (eli tiheys muuttuu paineen muutosten myötä), ei-viskoosinen (eli ei ole viskoosista hajoamista) ja ei-virtaava väliaine, ja sen keskimääräinen tiheys ja paine pysyvät yhtenäisinä analysoitavassa vesistössä, saadaan vastaava aaltoyhtälö. Kiinteän rakenteen elementtianalyysiä varten tämä yhtälö ottaa huomioon kiinteän rakenteen rajapinnalle nesteen ja kiinteän aineen rajapinnassa kohdistetun nesteen painekuormituksen. Missä U on solmun siirtymä; P on solmunesteen paine; M on rakenteen massamatriisi; C on rakenteen vaimennusmatriisi; K on rakenteen jäykkyysmatriisi; Q on neste-kiinteä-rajapinnan kytkentäalueen matriisi; f on kiinteä rakenne Voimavektori ylhäällä. Nestemäisten elementtien analyysiä varten, joka perustuu variaatioperiaatteeseen tai painotettuun jäännösmenetelmään (ts. Galerkinin menetelmä), aaltoyhtälö voidaan diskretoida standardinmukaisella elementillä ja lopuksi saada nesteen elementtien ohjausyhtälö. Tämä yhtälö ottaa huomioon jatkuvuusvaatimukset neste-kiinteä-rajapinnassa ja vaimennuksen aiheuttaman energiahäviön. missä E on nesteen  m- atriisin hitausmomentti; A on nesteen vaimennusmatriisi; H on nesteen jäykkyysmatriisi; ρ on nesteen tiheys; oikea yläindeksi T on matriisin transponointi. Yhtälöt (1) ja (2) antavat neste-kiinteä kytkentäyhtälöt, jotka voidaan yhdistää seuraavasti: f1 on neste-kiinteä-rajapinnassa vaikuttava rakenteellinen voimavektori; f2 aiheutuu alkuaaltovoiman (aaltovoiman) kentästä. Voimavektori, joka vaikuttaa nesteen ja kiinteän aineen rajapintaan. Koska siirtymää voidaan pitää nopeuspotentiaalin gradienttina, voidaan yhtälön (4) kautta saada toinen yhtälöä (3) vastaava neste-kiinteä elementtikytkentäyhtälön lausekemuoto.

 

2.3 Sähkörakenteen kytkentäkentän äärelliselementtianalyysi

Pietsosähköiset hydroakustiset muuntimet käyttävät pietsosähköisiä materiaaleja, joten on tärkeää ymmärtää, miten se toimii. Kvasistaattisen oletuksen perusteella, eli sähkökentän on oltava tasapainossa elastisen siirtymäkentän kanssa, voidaan saada pietsosähköisten materiaalien lineaarinen konstitutiivinen yhtälö. T on jännityskenttä; D on sähköinen siirtymä; S on jännityskenttä; EV on sähkökenttä; e on paine Sähkökytkennän vakiomatriisi; εS on dielektrisyysvakiomatriisi; cE on pietsosähköisen materiaalin elastinen jäykkyysmatriisi. Onko vaimennus matriisi pietsosähköisiä materiaaleja; KUΦ on pietsosähköinen kytkentämatriisi; KΦΦ on dielektrinen jäykkyysmatriisi; F on käytetty kokonaisvoimavektori; G on käytetty kokonaisveloitus.

 

3 Elementtimallinnus ja -analyysi

3.1 Tonpilz-tyyppisen anturin äärelliselementtimalli

Kuvassa 2 on Tonpilz-anturin fyysinen kaavio, joka koostuu neljästä osasta: pää, perä, kiristyspultti ja pietsosähköinen keramiikka. Kaksi pietsosähköistä keramiikkaa on sijoitettu pään ja hännän väliin, ja keskelle on asetettu kiristyspultti, joka varmistaa tiiviin kosketuksen eri osien välillä. Anturin pää on sylinterimäinen, joten siinä on pyöreä säteilevä pinta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että anturin kunkin osan geometriset parametrit vaikuttavat suoraan sen mekaanisiin laatutekijöihin, joita voidaan optimoida joillakin menetelmillä]. Tämän artikkelin anturin kunkin osan yksityiskohtaiset mitat ja materiaaliparametrit esitetään erikseen.

 

Taulukko 1 ja taulukko 2. Kuvassa 3 on kaksiulotteinen akselisymmetrinen elementtimalli ja Tonpilz-anturin reunaehdot. Malli muodostetaan XY-tasolle ja sen symmetria-akseli on X-akselia pitkin. Elementtimallissa käytetään nelisolmun nelisivuisia akselisymmetrisiä elementtejä yhdistämiseen, mukaan lukien 193 elementtiä ja 240 solmua. Kaksi pietsosähköinen vedenalainen akustiikka on sijoitettu vastakkaisiin polariteeteihin, ja polarisaatiosuunta on anturin pituussuuntaa pitkin, mikä voi parantaa anturin vastetehoa. Kolme elektrodia asetetaan pietsosähköiseen keramiikkaan liittyvälle kosketuspinnalle viritystä tai mittausta varten. Y-suunta rajoittaa pään lieriömäistä ulkopintaa ja X-suunta rajoittaa pään reunapäätypintaa lähellä pietsosähköistä keraamia, mutta ei kosketusta elektrodin kanssa. Tämä rajoitus kuvastaa anturin todellisten reunaehtojen huomioon ottamista Kiinteä päälle. Anturin voimasuunta on X-suunta. Kun se toimii, se värisee tähän suuntaan.

 

3.2 Tonpilz-anturin modaalinen analyysi

Taulukossa 3 on lueteltu 5 ensimmäistä luonnollista taajuutta, jotka saatiin Tonpilz-anturin modaalianalyysistä oikosulkutilassa, ja verrataan USAP:n ja ANSYS:n analyysituloksia. Kuvassa 4 on esitetty kolmen ensimmäisen ominaistaajuusmoodin vertailu. Voidaan nähdä, että USAP:n ja ANSYS:n analyysitulokset sopivat hyvin yhteen.

 

3.3 Tonpilz-tyyppisen anturin harmoninen vasteanalyysi vedessä

Kuvassa 5 on kaksiulotteinen akselisymmetrinen malli Tonpilz-anturin vedessä, joka on myös jaettu 4-solmun nelisivuisilla akselisymmetrisillä elementeillä, 383 elementillä ja 444 solmulla. Tonpilz-anturin erityinen rakenne ja rajaolosuhteet ovat samat kuin kuvassa 3. Kuvan 5 mallissa Tonpilz-anturin pää on kosketuksissa kiristyspultin etupinnan ja veden kanssa. Harmonisen vasteen analyysiä suoritettaessa keskielektrodille asetetaan sinimuotoinen jännite, jonka amplitudi on 1 V, ja kaksi muuta elektrodia ovat 0 V:n jännitteellä. Analyysin taajuusalue on asetettu välille 10000Hz ~ 50000Hz. Harmonisen vasteanalyysin avulla Tonpilz-tyyppinen anturi lähettää jännitevastetta (lyhennettynä TVR) ja paineanalyysi johtaa veteen kuvan 6 mukaisesti. Solmu 419 on valittu analysoitavaksi laskentapisteeksi. Analysoi kuva 6 saadaksesi

Sen ensimmäisen asteen resonanssitaajuus on noin 19045 Hz. Tällä taajuudella paineen jakautuminen vedessä ja Tonpilz-anturin muodonmuutos on esitetty kuvassa.

 

Tonpilz-tyyppisen anturin sisäänpääsyanalyysi vedessä

 

Admittanssi tai impedanssi on myös tärkeä anturin ominaisparametri. Se on anturin mekaanisten ja akustisten ominaisuuksien funktio, ja se on tehokas menetelmä anturin suorituskyvyn analysointiin ja tutkimiseen. Analyysin jälkeen sisäänpääsy on tässä kompleksiluku, joka ilmaistaan ​​seuraavassa muodossa: Aseta analyysin aikana jännite 1 V keskimmäiselle elektrodille ja 0 V jännite muille kahdelle elektrodille. Laskennan jälkeen Tonpilz-tyyppisen anturin vedessä tapahtuvan konduktanssin ja susseptanssin analyysitulokset on esitetty kuvassa 8. Sekä konduktanssilla että susseptanssilla on huiput resonanssitaajuudella.

 

 

4 Johtopäätös

Elementtimenetelmä on erittäin tehokas ja käytännöllinen akustisten parametrien analysoinnissa pietsosähköiset akustiset muuntimet . Tässä artikkelissa laaditun Tonpilz-tyyppisen anturin aksisymmetrisen elementtimallin dynamiikka analysoidaan USAP-ohjelmalla (mukaan lukien harmoninen vaste ja modaali jne.). Saadut tulokset kuvaavat kohtuullisesti tämän tyyppisen vedenalaisen akustisen muuntimen akustisia parametreja. Mallin laatimisessa ja analysoinnissa on edelleen puutteita, joita on edelleen parannettava ja täydennettävä.