पीजोइलेक्ट्रिक अंडरवाटर ध्वनिक ट्रांसड्यूसर की ध्वनिक विशेषताओं का विश्लेषण

पीजोइलेक्ट्रिक अंडरवाटर ध्वनिक ट्रांसड्यूसर एक अंडरवाटर डिटेक्शन डिवाइस है जो ड्राइवर और सेंसर दोनों के रूप में काम कर सकता है। एक मजबूत और टिकाऊ ट्रांसड्यूसर के डिजाइन के लिए शोरगुल वाले पानी के नीचे के वातावरण में इसकी ध्वनिक विशेषताओं की सटीक भविष्यवाणी बहुत महत्वपूर्ण है। विभिन्न वातावरणों में ट्रांसड्यूसर के विभिन्न प्रदर्शनों का विश्लेषण करने के लिए परिमित तत्व विधि बहुत प्रभावी और व्यावहारिक है। टोनपिल्ज़-प्रकार ट्रांसड्यूसर का एक द्वि-आयामी अक्षीय परिमित तत्व मॉडल स्थापित किया गया था, परिमित तत्व विधि पर आधारित एक कार्यक्रम डिजाइन किया गया था, और उस पर गतिशील विश्लेषण किया गया था, जिसमें मोडल विश्लेषण और हार्मोनिक प्रतिक्रिया विश्लेषण आदि शामिल थे, और कुछ ध्वनिक विशेषताएं प्राप्त की गई थीं। प्रोग्राम विश्लेषण के परिणाम और ANSYS सॉफ़्टवेयर विश्लेषण परिणाम एक अच्छा समझौता दिखाते हैं।

 

 

1 परिचय

हाइड्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर हाइड्रोकॉस्टिक इंजीनियरिंग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। हाल के वर्षों में, विज्ञान और प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास के साथ, नई ट्रांसड्यूसर सामग्रियों के निरंतर विकास और ट्रांसड्यूसर के डिजाइन में नई विश्लेषण विधियों के अनुप्रयोग ने ट्रांसड्यूसर के अनुसंधान और डिजाइन में कई नई अवधारणाएं और नई विधियां उभरी हैं। एक प्रकार की स्मार्ट सामग्री के रूप में, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का व्यापक रूप से  इलेक्ट्रोमैकेनिकल क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है, जैसे पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसफार्मर और सोनार ट्रांसड्यूसर।पीजोइलेक्ट्रिक हाइड्रोफोन ट्रांसड्यूसर एक अंडरवॉटर डिटेक्शन डिवाइस है, जो ड्राइवर या सेंसर के रूप में काम कर सकता है। अधिकांश पानी के भीतर का पता लगाने वाले अनुप्रयोगों में, पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर अच्छा समग्र प्रदर्शन दिखाते हैं: उच्च कार्य कुशलता, लचीला डिजाइन और उच्च लागत प्रदर्शन। एक मजबूत और टिकाऊ ट्रांसड्यूसर के डिजाइन के लिए शोरगुल वाले पानी के नीचे के वातावरण में इसके ध्वनिक मापदंडों की सटीक पूर्व-गणना करना बहुत महत्वपूर्ण है। परिमित तत्व विधि (संक्षेप में FEM) का उपयोग इंजीनियरिंग विश्लेषण में व्यापक रूप से किया जा सकता है। यह विभिन्न वातावरणों (जैसे हवा या पानी) में ट्रांसड्यूसर के प्रदर्शन का विश्लेषण कर सकता है। टोनपिल्ज़-प्रकार ट्रांसड्यूसर का एक द्वि-आयामी अक्षीय परिमित तत्व मॉडल स्थापित किया गया है, जो मोडल, पानी के नीचे हार्मोनिक प्रतिक्रिया और प्रवेश विश्लेषण कर सकता है। विश्लेषण उपकरण परिमित तत्व विधि (संक्षेप में यूएसएपी) पर आधारित एक अंडरवाटर सेंसर विश्लेषण कार्यक्रम का उपयोग करता है। यह प्रोग्राम पानी में काम करने वाले ट्रांसड्यूसर के मापदंडों का विश्लेषण करने के लिए बहुत व्यावहारिक है, जब तक आवश्यक इनपुट फाइलें तैयार की जाती हैं और विश्लेषण प्रकार का चयन किया जाता है, तब तक संबंधित विश्लेषण किया जा सकता है।

 

2 सैद्धांतिक विश्लेषण

 

2.1 में ट्रांसड्यूसर के कार्य वातावरण का  पानी  विवरण

चित्र 1 पानी में ट्रांसड्यूसर के कार्य वातावरण को दर्शाता है। ट्रांसड्यूसर को लोचदार और स्मार्ट सामग्रियों के संयोजन द्वारा दर्शाया जा सकता है। ट्रांसड्यूसर के चारों ओर एक सीमित जल क्षेत्र शामिल है, और विभिन्न सीमाओं और कार्य स्थितियों पर विचार किया जाता है। सीमित जल क्षेत्र की सबसे बाहरी परिधि पर एक अनंत तरल सीमा निर्धारित की जाती है ताकि इसे वास्तविक कार्यशील स्थिति के करीब बनाया जा सके। इसलिए, इसमें शामिल सैद्धांतिक विश्लेषण में द्रव और ठोस संरचना के बीच युग्मन और पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों में बिजली और संरचना के बीच युग्मन शामिल है।

 

2.2 द्रव-ठोस युग्मन क्षेत्र का परिमित तत्व विश्लेषण

तरल वातावरण में एक ठोस संरचना के हार्मोनिक प्रतिक्रिया विश्लेषण में ठोस संरचना और तरल पदार्थ के बीच बातचीत शामिल होनी चाहिए। यह मानते हुए कि ठोस संरचना एक लोचदार शरीर है, इसकी व्यवहार विशेषताएँ लोच के सिद्धांत के अनुरूप हैं। यह मानते हुए कि द्रव संपीड़ित है (अर्थात, दबाव परिवर्तन के साथ घनत्व बदलता है), गैर-चिपचिपा (अर्थात, कोई चिपचिपा अपव्यय नहीं है) और गैर-प्रवाह योग्य माध्यम है, और इसका औसत घनत्व और दबाव विश्लेषण किए गए वाटरशेड में एक समान रहता है, तो । संबंधित तरंग समीकरण मिलता है ठोस संरचना के परिमित तत्व विश्लेषण के लिए, यह समीकरण द्रव-ठोस इंटरफ़ेस पर ठोस संरचना इंटरफ़ेस पर लागू तरल पदार्थ के दबाव भार पर विचार करता है। जहां यू नोडल विस्थापन है; पी नोडल द्रव दबाव है; एम संरचना का द्रव्यमान मैट्रिक्स है; सी संरचना का अवमंदन मैट्रिक्स है; K संरचना की कठोरता मैट्रिक्स है; Q द्रव-ठोस इंटरफ़ेस पर युग्मन क्षेत्र मैट्रिक्स है; एफ शीर्ष पर ठोस संरचना बल वेक्टर है। द्रव परिमित तत्व विश्लेषण के लिए, परिवर्तनशील सिद्धांत या भारित अवशिष्ट विधि (यानी गैलेर्किन विधि) के आधार पर, तरंग समीकरण को मानक परिमित तत्व द्वारा विघटित किया जा सकता है, और अंत में द्रव परिमित तत्व नियंत्रण समीकरण प्राप्त किया जा सकता है। यह समीकरण द्रव-ठोस इंटरफ़ेस पर निरंतरता आवश्यकताओं और भिगोने के कारण ऊर्जा हानि को ध्यान में रखता है। जहां ई द्रव  एम एट्रिक्स की जड़ता का क्षण है; ए द्रव का अवमंदन मैट्रिक्स है; एच द्रव की कठोरता मैट्रिक्स है; ρ द्रव का घनत्व है; ऊपरी दायां सूचकांक टी मैट्रिक्स का स्थानान्तरण है। समीकरण (1) और (2) द्रव-ठोस युग्मन समीकरण देते हैं, जिन्हें निम्नानुसार जोड़ा जा सकता है: एफ1 द्रव-ठोस इंटरफ़ेस पर अभिनय करने वाला संरचनात्मक बल वेक्टर है; f2 प्रारंभिक तरंग बल (तरंग बल) क्षेत्र के कारण होता है बल वेक्टर द्रव-ठोस इंटरफ़ेस पर कार्य करता है। चूंकि विस्थापन को वेग क्षमता के ढाल के रूप में माना जा सकता है, समीकरण (3) के अनुरूप द्रव-ठोस परिमित तत्व युग्मन समीकरण का एक और अभिव्यक्ति रूप समीकरण (4) के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।

 

2.3 विद्युत-संरचना युग्मन क्षेत्र का परिमित तत्व विश्लेषण

पीजोइलेक्ट्रिक हाइड्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग करते हैं, इसलिए यह समझना महत्वपूर्ण है कि यह कैसे काम करता है। अर्ध-स्थैतिक धारणा के आधार पर, यानी, विद्युत क्षेत्र को लोचदार विस्थापन क्षेत्र के साथ संतुलित किया जाना चाहिए, पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के लिए रैखिक संवैधानिक समीकरण प्राप्त किया जा सकता है। टी तनाव क्षेत्र है; डी विद्युत विस्थापन है; एस तनाव क्षेत्र है; ईवी विद्युत क्षेत्र है; ई दबाव विद्युत युग्मन स्थिरांक मैट्रिक्स है; εS ढांकता हुआ स्थिरांक मैट्रिक्स है; सीई पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का लोचदार कठोरता मैट्रिक्स है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का अवमंदन मैट्रिक्स है; KUΦ पीज़ोइलेक्ट्रिक कपलिंग मैट्रिक्स है; KΦΦ ढांकता हुआ कठोरता मैट्रिक्स है; एफ कुल लागू बल वेक्टर है; जी कुल लागू शुल्क है।

 

3 परिमित तत्व मॉडलिंग और विश्लेषण

3.1 टोनपिल्ज़ प्रकार के ट्रांसड्यूसर का परिमित तत्व मॉडल

चित्र 2 टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर का भौतिक योजनाबद्ध आरेख दिखाता है, जिसमें चार भाग होते हैं: सिर, पूंछ, तनाव बोल्ट और पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक। पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के दो टुकड़े सिर और पूंछ के बीच सैंडविच किए जाते हैं, और विभिन्न भागों के बीच निकट संपर्क सुनिश्चित करने के लिए केंद्र में एक तनाव बोल्ट लगाया जाता है। ट्रांसड्यूसर का सिर बेलनाकार होता है, इसलिए इसकी गोलाकार विकिरण सतह होती है। अध्ययनों से पता चला है कि ट्रांसड्यूसर के प्रत्येक भाग के ज्यामितीय मापदंडों का इसके यांत्रिक गुणवत्ता कारकों पर सीधा प्रभाव पड़ता है, जिसे कुछ तरीकों से अनुकूलित किया जा सकता है]। इस आलेख में ट्रांसड्यूसर के प्रत्येक घटक के विस्तृत आयाम और विशिष्ट सामग्री पैरामीटर अलग से दिखाए गए हैं।

 

तालिका 1 और तालिका 2। चित्र 3 टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर के द्वि-आयामी अक्षसममितीय परिमित तत्व मॉडल और सीमा स्थितियों को दर्शाता है। मॉडल XY समतल पर स्थापित है, और इसकी समरूपता अक्ष X अक्ष के अनुदिश है। परिमित तत्व मॉडल मेशिंग के लिए चार-नोड चतुर्भुज अक्षसममित तत्वों का उपयोग करता है, जिसमें 193 तत्व और 240 नोड्स शामिल हैं। दो पीज़ोइलेक्ट्रिक अंडरवाटर ध्वनिकी को विपरीत ध्रुवों में रखा जाता है, और ध्रुवीकरण दिशा ट्रांसड्यूसर की अनुदैर्ध्य दिशा के साथ होती है, जो ट्रांसड्यूसर के प्रतिक्रिया प्रदर्शन में सुधार कर सकती है। उत्तेजना या माप के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक से संबंधित संपर्क सतह पर तीन इलेक्ट्रोड रखे जाते हैं। वाई-दिशा सिर की बाहरी बेलनाकार सतह को प्रतिबंधित करती है, और एक्स-दिशा सिर की परिधीय अंत सतह को पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के करीब प्रतिबंधित करती है लेकिन इलेक्ट्रोड के संपर्क में नहीं। यह प्रतिबंध सिर के लिए निर्धारित ट्रांसड्यूसर की वास्तविक सीमा स्थितियों पर विचार को दर्शाता है। ट्रांसड्यूसर की बल दिशा X दिशा है। जब यह काम करेगा तो इसी दिशा में कंपन करेगा।

 

3.2 टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर का मॉडल विश्लेषण

तालिका 3 शॉर्ट-सर्किट स्थिति में टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर के मोडल विश्लेषण से प्राप्त पहली 5 प्राकृतिक आवृत्तियों को सूचीबद्ध करती है, और यूएसएपी और एएनएसवाईएस के विश्लेषण परिणामों की तुलना करती है। चित्र 4 पहले तीन प्राकृतिक आवृत्ति मोड की तुलना दिखाता है। यह देखा जा सकता है कि यूएसएपी और एएनएसवाईएस के विश्लेषण परिणाम अच्छे समझौते में हैं।

 

3.3 पानी में टोनपिल्ज़-प्रकार ट्रांसड्यूसर का हार्मोनिक प्रतिक्रिया विश्लेषण

चित्र 5 पानी में टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर के द्वि-आयामी अक्ष-सममितीय मॉडल को दर्शाता है, जिसे 383 तत्वों और 444 नोड्स के साथ 4-नोड चतुर्भुज अक्ष-सममित तत्वों द्वारा भी विभाजित किया गया है। टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर की विशिष्ट संरचना और सीमा स्थितियाँ वही हैं जो चित्र 3 में दिखाई गई हैं। चित्र 5 में मॉडल में, टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर का सिर तनाव बोल्ट और पानी के सामने के संपर्क में है। हार्मोनिक प्रतिक्रिया विश्लेषण करते समय, 1V के आयाम वाला एक साइनसॉइडल वोल्टेज मध्य इलेक्ट्रोड पर सेट किया जाता है, और अन्य दो इलेक्ट्रोड 0V के वोल्टेज पर होते हैं। विश्लेषण की आवृत्ति रेंज 10000Hz ~ 50000Hz पर सेट है। हार्मोनिक प्रतिक्रिया विश्लेषण के माध्यम से, टोनपिल्ज़-प्रकार ट्रांसड्यूसर वोल्टेज प्रतिक्रिया (संक्षेप में टीवीआर) उत्सर्जित करता है और पानी में दबाव विश्लेषण का परिणाम होता है जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है। नोड 419 को विश्लेषण के लिए गणना बिंदु के रूप में चुना गया है। प्राप्त करने के लिए चित्र 6 का विश्लेषण करें

इसकी प्रथम-क्रम अनुनाद आवृत्ति लगभग 19045Hz है। इस आवृत्ति पर, पानी में दबाव वितरण और टोनपिल्ज़ ट्रांसड्यूसर की विकृति को चित्र में दिखाया गया है।

 

पानी में टोनपिल्ज़ प्रकार के ट्रांसड्यूसर का प्रवेश विश्लेषण

 

प्रवेश या प्रतिबाधा भी ट्रांसड्यूसर का एक महत्वपूर्ण विशेषता पैरामीटर है। यह ट्रांसड्यूसर की यांत्रिक और ध्वनिक विशेषताओं का एक कार्य है, और ट्रांसड्यूसर के प्रदर्शन का विश्लेषण और अध्ययन करने के लिए एक प्रभावी तरीका है। विश्लेषण के बाद, यहां प्रवेश एक जटिल संख्या है, जिसे निम्नलिखित रूप में व्यक्त किया गया है: विश्लेषण के दौरान, मध्य इलेक्ट्रोड पर 1V का वोल्टेज और शेष दो इलेक्ट्रोड पर 0V का वोल्टेज सेट करें। गणना के बाद, पानी में टोनपिल्ज़-प्रकार ट्रांसड्यूसर के संचालन और संवेदनशीलता के विश्लेषण परिणाम चित्र 8 में दिखाए गए हैं। चालन और संवेदनशीलता दोनों में अनुनाद आवृत्ति पर शिखर होते हैं।

 

 

4 निष्कर्ष

के ध्वनिक मापदंडों के विश्लेषण के लिए परिमित तत्व विधि बहुत प्रभावी और व्यावहारिक है पीज़ोइलेक्ट्रिक ध्वनिक ट्रांसड्यूसर । इस पेपर में स्थापित टोनपिल्ज़ प्रकार ट्रांसड्यूसर के अक्षीय परिमित तत्व मॉडल का गतिशीलता (हार्मोनिक प्रतिक्रिया और मोडल इत्यादि सहित) के लिए यूएसएपी कार्यक्रम द्वारा विश्लेषण किया जाता है। प्राप्त परिणाम इस प्रकार के पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर के ध्वनिक मापदंडों का यथोचित वर्णन करते हैं। मॉडल की स्थापना और विश्लेषण में अभी भी कुछ कमियाँ हैं, जिनमें और सुधार और सुधार की आवश्यकता है।