Anailís ar Thréithe Fuaimiúla Trasduchtóir Fuaimiúil Faoi Uisce Piezoelectric

Tá anIs gléas braite faoi uisce é trasducer fuaime piezoelectric faoi uisce a fhéadfaidh oibriú mar thiománaí agus braiteoir araon. Tá sé an-tábhachtach a shaintréithe fuaimiúla a thuar go cruinn i dtimpeallacht fhuaimneach faoi uisce chun trasduchtóir láidir buan a dhearadh. Tá an modh eilimint chríochta an-éifeachtach agus praiticiúil chun anailís a dhéanamh ar fheidhmíocht éagsúil an trasducer i dtimpeallachtaí éagsúla. Bunaíodh múnla déthoiseach eilimint chríochnaithe aiseimiméadrach de thrasducer cineál Tonpilz, dearadh clár bunaithe ar an modh eilimint chríochnaithe, agus rinneadh anailís dhinimiciúil air, lena n-áirítear anailís mhódúil agus anailís freagra armónach, etc., agus fuarthas roinnt tréithe fuaimiúla. Léiríonn torthaí na hanailíse cláir agus torthaí anailíse bogearraí ANSYS comhaontú maith.

 

 

1 Réamhrá

Tá ról lárnach ag trasduchtóirí hidreafhuaimneach san innealtóireacht hidreafhuaimneach. Le blianta beaga anuas, le forbairt go mear na heolaíochta agus na teicneolaíochta, le forbairt leanúnach na n-ábhar trasducer nua agus cur i bhfeidhm modhanna anailíse nua i ndearadh na trasducers tar éis teacht chun cinn go leor coincheapa nua agus modhanna nua sa taighde agus dearadh. Mar chineál ábhar cliste, úsáidtear ábhair piezoelectric go forleathan i  réimsí leictrimheicniúla, mar shampla claochladáin ceirmeacha piezoelectric agus trasducers sonar. Tá anIs gléas braite faoi uisce é trasducer hidreafóin piezoelectric , is féidir a bheith ag obair mar thiománaí nó braiteoir. I bhformhór na n-iarratas braite faoi uisce, léiríonn trasducers piezoelectric dea-fheidhmíocht iomlán: éifeachtacht ard oibre, dearadh solúbtha, agus feidhmíocht ardchostas. Tá sé an-tábhachtach a pharaiméadair fhuaimiúla a réamhríomh go cruinn i dtimpeallacht fhuaimneach faoi uisce chun trasduchtóir láidir buan a dhearadh. Is féidir an modh eiliminte críochta (giorraithe mar FEM) a úsáid go forleathan in anailís innealtóireachta. Is féidir leis anailís a dhéanamh ar fheidhmíocht an trasducer i dtimpeallachtaí éagsúla (mar shampla san aer nó san uisce). bunaítear múnla déthoiseach d'eilimint chríochnaithe aisshiméadrach de thrasduchtóir de chineál Tonpilz, ar féidir leis freagairt armónach mhodhúil, faoi uisce agus anailís iontrála a dhéanamh. Úsáideann an uirlis anailíse clár anailíse braiteora faoi uisce bunaithe ar an modh eiliminte críochta (USAP go gearr). Tá an clár seo an-phraiticiúil chun anailís a dhéanamh ar pharaiméadair an trasducer atá ag obair san uisce, chomh fada agus a ullmhaítear na comhaid ionchuir riachtanacha agus an cineál anailíse a roghnú, is féidir an anailís chomhfhreagrach a dhéanamh.

 

2 Anailís theoiriciúil

 

Cur síos ar thimpeallacht oibre an trasducer san  uisce 2.1

Taispeánann Figiúr 1 timpeallacht oibre an trasducer in uisce. Is féidir an trasducer a léiriú le meascán d'ábhair leaisteacha agus cliste. Áirítear limistéar teoranta uisce timpeall an trasducer, agus breathnaítear ar theorainneacha agus ar dhálaí oibre éagsúla. Socraítear teorainn sreabhach gan teorainn ag an imeall is forimeallaí den limistéar teoranta uisce chun é a dhéanamh níos gaire don fhíorstaid oibre. Dá bhrí sin, cuimsíonn an anailís theoiriciúil atá i gceist an cúpláil idir struchtúr sreabhach agus soladach agus an cúpláil idir leictreachas agus struchtúr in ábhair piezoelectric.

 

2.2 Anailís eiliminte críochta ar an réimse cúplála sreabhán-soladach

Caithfidh an t-idirghníomhú idir an struchtúr soladach agus an sreabhach a bheith i gceist leis an anailís freagra armónach ar struchtúr soladach i dtimpeallacht sreabhach. Ag glacadh leis gur comhlacht leaisteacha é an struchtúr soladach, cloíonn a saintréithe iompair le teoiric an elasticity. Ag glacadh leis go bhfuil an sreabhach compressible (is é sin, athraíonn an dlús le hathruithe brú), neamh-slaodach (is é sin, níl aon diomailt slaodach) agus meán neamh-sreabhadh, agus go bhfuil a mheán-dlús agus brú fós aonfhoirmeach sa tairseach anailíse, ansin bualadh leis an gcothromóid tonn comhfhreagrach. Le haghaidh anailíse eiliminte críochta ar an struchtúr soladach, breithníonn an chothromóid seo ualach brú an tsreabháin a chuirtear i bhfeidhm ar an gcomhéadan struchtúr soladach ag an gcomhéadan sreabhán-soladach. Cá bhfuil U an díláithriú nódúil; Is é P an brú sreabhach nódúil; Is é M mais mhaitrís an struchtúir; Is é C maitrís damping an struchtúir; Is é K maitrís stiffness an struchtúir; Is é Q an limistéar cúplála maitrís ar an gcomhéadan sreabhach-soladach; Is é f an struchtúr soladach An veicteoir fórsa ar an mbarr. Le haghaidh anailíse eiliminte críochta sreabhán, bunaithe ar an bprionsabal éagsúlachta nó ar an modh iarmharach ualaithe (ie modh Galerkin), is féidir an chothromóid tonn a dhiscréidiú de réir eiliminte críochta caighdeánach, agus ar deireadh is féidir an chothromóid rialaithe eilimint chríochta sreabhán a fháil. Cuireann an chothromóid seo san áireamh na ceanglais leanúnachais ar an gcomhéadan sreabhán-soladach agus an caillteanas fuinnimh de bharr taise. Áit a bhfuil E tráth táimhe an  m atrix sreabhán; Is é A maitrís taise an tsreabháin; Is é H maitrís stiffness an sreabhach; Is é ρ dlús an tsreabháin; is é an t-innéacs uachtarach ar dheis T trasuí na maitrís. Tugann cothromóidí (1) agus (2) na cothromóidí cúplála sreabhán-soladach, ar féidir iad a chomhcheangal mar a leanas: Is é f1 an veicteoir fórsa struchtúrach atá ag gníomhú ar an gcomhéadan sreabhán-soladach; Is é an réimse fórsa tonn tosaigh (tonnfhórsa) is cúis le f2 An veicteoir fórsa atá ag gníomhú ar an gcomhéadan sreabhán-soladach. Ós rud é gur féidir an díláithriú a mheas mar ghrádán an phoitéinsil treoluais, is féidir foirm slonn eile den chothromóid chúplála eilimint chríochnaithe sreabhán-soladach a fhreagraíonn don chothromóid (3) a fháil trí chothromóid (4).

 

2.3 Anailís eiliminte críochta ar réimse cúplála struchtúir leictrigh

Úsáideann trasducers hidreafhuaimneach piezoelectric ábhair piezoelectric, agus mar sin tá sé tábhachtach a thuiscint conas a oibríonn sé. Bunaithe ar an toimhde leathstatach, is é sin, ní mór an réimse leictreach a chothromú leis an réimse díláithrithe leaisteacha, is féidir an chothromóid chomhdhéanach líneach d'ábhair piezoelectric a fháil. Is é T an réimse struis; Is é D an díláithriú leictreach; Is é S an réimse brú; Is é EV an réimse leictreach; Is é e an brú maitrís tairiseach cúplála leictreach; Is é εS an maitrís tairiseach tréleictreach; Is é cE an maitrís stiffness leaisteacha an ábhair piezoelectric. An bhfuil maitrís damping na n-ábhar piezoelectric; Is é KUΦ an maitrís cúplála piezoelectric; Is é KΦΦ an maitrís stiffness tréleictreach; Is é F an veicteoir fórsa iomlán a fheidhmítear; Is é G an muirear iomlán a cuireadh i bhfeidhm.

 

3 Samhaltú agus anailís eiliminte críochta

3.1 Múnla eiliminte críochta de thrasduchtóir cineál Tonpilz

Taispeánann Figiúr 2 léaráid scéimeach fisiciúil an trasducer Tonpilz, atá comhdhéanta de cheithre chuid: ceann, eireaball, bolt teannas agus criadóireacht piezoelectric. Tá dhá phíosa criadóireachta piezoelectric idir an ceann agus an eireaball, agus cuirtear bolt teannas sa lár chun dlúth-theagmháil a chinntiú idir na codanna éagsúla. Tá an ceann trasducer sorcóireach, agus mar sin tá dromchla radiating ciorclach aige. Tá sé léirithe ag staidéir go bhfuil tionchar díreach ag paraiméadair gheoiméadracha gach cuid den trasducer ar a fhachtóirí cáilíochta meicniúla, ar féidir iad a uasmhéadú trí roinnt modhanna]. Taispeántar ar leithligh toisí mionsonraithe agus paraiméadair ábhair shonracha gach comhpháirt den trasducer san Airteagal seo.

 

Tábla 1 agus Tábla 2. Taispeánann Figiúr 3 an tsamhail eilimint chríochnaithe dhá-thoiseach aisshiméadrach agus coinníollacha teorann an trasducer Tonpilz. Tá an tsamhail bunaithe ar an eitleán XY, agus tá a ais siméadrachta feadh an ais X. Úsáideann an tsamhail eilimint chríochta eilimintí aiseacha ceathairshleasáin ceithre nód le haghaidh meshing, lena n-áirítear 193 eilimint agus 240 nód. An bheirt cuirtear fuaimíocht piezoelectric faoi uisce i bpolúlachtaí os coinne, agus tá an treo polaraithe ar feadh treo fadaimseartha an trasducer, rud a d'fhéadfadh feabhas a chur ar fheidhmíocht freagartha an trasducer. Cuirtear trí leictreoid ar an dromchla teagmhála a bhaineann le criadóireacht piezoelectric le haghaidh excitation nó tomhais. Cuireann an Y-treo srian ar dhromchla sorcóireach seachtrach an chinn, agus cuireann an treo X srian ar dhromchla imeallach an chinn gar don cheirmeach piezoelectric ach nach bhfuil i dteagmháil leis an leictreoid. Léiríonn an srian seo breithniú ar choinníollacha teorann iarbhír an trasducer Seasta don cheann. Is é treo fórsa an trasducer an treo X. Nuair a bheidh sé ag obair, creathadh sé sa treo seo.

 

3.2 Anailís mhodhúil ar thrasduchtóir Tonpilz

Liostaítear i dTábla 3 na chéad 5 mhinicíocht nádúrtha a fuarthas ón anailís mhódúil ar an trasducer Tonpilz sa staid ghearrchiorcaid, agus déantar comparáid idir torthaí anailíse USAP agus ANSYS. Taispeánann Figiúr 4 comparáid idir na chéad trí mhodh minicíochta nádúrtha. Is féidir a fheiceáil go bhfuil comhaontú maith idir torthaí anailíse USAP agus ANSYS.

 

3.3 Anailís ar fhreagra armónach ar thrasduchtóir de chineál Tonpilz in uisce

Taispeánann Figiúr 5 an tsamhail aisimiméadrach déthoiseach den trasducer Tonpilz in uisce, atá roinnte freisin ag eilimintí aisimiméadracha ceathairshleasáin 4 nód, le 383 eilimint agus 444 nóid. Tá struchtúr sonrach agus coinníollacha teorann an trasducer Tonpilz mar an gcéanna leo siúd a léirítear i bhFíor 3. Sa mhúnla i bhFíor 5, tá ceann an trasducer Tonpilz i dteagmháil le aghaidh tosaigh an bolt teannas agus uisce. Agus anailís freagartha armónach á dhéanamh, socraítear voltas sinusoidal le aimplitiúid 1V ar an leictreoid lár, agus tá an dá leictreoid eile ag voltas 0V. Socraítear raon minicíochta na hanailíse go 10000Hz ~ 50000Hz. Tríd an anailís freagra armónach, astaíonn an trasducer cineál Tonpilz freagra voltais (TVR le haghaidh gearr) agus torthaí anailís brú in uisce mar a thaispeántar i bhFíor 6. Roghnaítear Nód 419 mar an pointe ríofa le hanailís a dhéanamh. Déan anailís ar Fhigiúr 6 chun a fháil

Tá a mhinicíocht athshondais den chéad ordú thart ar 19045Hz. Ag an minicíocht seo, léirítear an dáileadh brú san uisce agus dífhoirmiú an trasducer Tonpilz san fhigiúr.

 

Anailís iontrála ar thrasduchtóir cineál Tonpilz in uisce

 

Is paraiméadar tréith thábhachtach den trasducer é ligean isteach nó impedance freisin. Is feidhm de shaintréithe meicniúla agus fuaimiúla an trasducer é, agus is modh éifeachtach é chun anailís agus staidéar a dhéanamh ar fheidhmíocht an trasducer. Tar éis anailís a dhéanamh, is uimhir choimpléascach é an ligean isteach anseo, arna shloinneadh san fhoirm seo a leanas: Le linn na hanailíse, socraigh voltas 1V ar an leictreoid lár, agus voltas 0V ar an dá leictreoid eile. Tar éis an ríomha, taispeántar i bhFíor 8 na torthaí anailíse ar sheoltacht agus ar ghlacadh an trasducer de chineál Tonpilz in uisce. Tá buaicphointí ag an minicíocht athshondais ag an seoltacht agus an claonadh araon.

 

 

4 Conclúid

Tá an modh eiliminte críochta an-éifeachtach agus praiticiúil chun anailís a dhéanamh ar pharaiméadair fhuaimiúla de trasduchtóirí fuaimiúla piezoelectric . Déanann an clár USAP le haghaidh dinimic (lena n-áirítear freagra armónach agus modúlach, etc.) anailís ar an tsamhail eilimint chríochnaithe axisimmetric den trasducer cineál Tonpilz a bunaíodh sa pháipéar seo. Déanann na torthaí a fhaightear cur síos go réasúnta ar pharaiméadair fhuaimiúla an chineál seo trasduchtóir fuaimiúil faoi uisce. Tá roinnt easnaimh ann fós maidir le bunú agus anailís an mhúnla, ar gá iad a fheabhsú tuilleadh agus a chur i gcrích.