Analiza akustičkih karakteristika piezoelektričnog podvodnog akustičkog pretvornika

Thepiezoelektrični podvodni akustični pretvarač je podvodni detektorski uređaj koji može raditi i kao pokretač i kao senzor. Točno predviđanje njegovih akustičnih karakteristika u bučnom podvodnom okruženju vrlo je važno za dizajn robusne i izdržljive sonde. Metoda konačnih elemenata vrlo je učinkovita i praktična za analizu različitih performansi pretvarača u različitim okruženjima. Uspostavljen je dvodimenzionalni osnosimetrični model konačnih elemenata pretvornika tipa Tonpilz, dizajniran je program koji se temelji na metodi konačnih elemenata te je na njemu provedena dinamička analiza, uključujući modalnu analizu i analizu harmonijskog odziva itd., te su dobivene neke akustičke karakteristike. Rezultati analize programa i rezultati analize softvera ANSYS pokazuju dobro slaganje.

 

 

1 Uvod

Hidroakustički pretvarači igraju ključnu ulogu u hidroakustičkom inženjerstvu. Posljednjih godina, s brzim razvojem znanosti i tehnologije, kontinuirani razvoj novih materijala za sonde i primjena novih metoda analize u dizajnu sondi učinili su sonde Mnogi novi koncepti i nove metode pojavili su se u istraživanju i dizajnu sonde. Kao vrsta pametnog materijala, piezoelektrični materijali naširoko se koriste u  elektromehaničkim poljima, kao što su piezoelektrični keramički transformatori i sonarni pretvornici. Thepiezoelektrični hidrofonski pretvarač je uređaj za podvodnu detekciju, koji može raditi kao pokretač ili senzor. U većini aplikacija za podvodno otkrivanje, piezoelektrični pretvornici pokazuju dobre ukupne performanse: visoku radnu učinkovitost, fleksibilan dizajn i visoku cijenu. Precizno prethodno izračunavanje njegovih akustičkih parametara u bučnom podvodnom okruženju vrlo je važno za dizajn robusne i izdržljive sonde. Metoda konačnih elemenata (skraćeno FEM) može se široko koristiti u inženjerskoj analizi. Može analizirati izvedbu sonde u različitim okruženjima (kao što su zrak ili voda). uspostavljen je dvodimenzionalni osnosimetrični model konačnih elemenata pretvornika tipa Tonpilz, koji može izvesti modalnu, podvodnu harmonijsku analizu odziva i admitancije. Alat za analizu koristi program za analizu podvodnih senzora koji se temelji na metodi konačnih elemenata (skraćeno USAP). Ovaj program je vrlo praktičan za analizu parametara pretvarača koji radi u vodi, sve dok se pripreme potrebne ulazne datoteke i odabere vrsta analize, može se napraviti odgovarajuća analiza.

 

2 Teorijska analiza

 

2.1 Opis radnog okruženja pretvarača  vodi u

Slika 1 prikazuje radnu okolinu pretvarača u vodi. Pretvornik se može predstaviti kombinacijom elastičnih i pametnih materijala. Ograničeno vodeno područje uključeno je oko sonde, a razmatraju se različite granice i radni uvjeti. Beskonačna granica tekućine postavljena je na krajnjoj periferiji ograničenog vodenog područja kako bi se približila stvarnom radnom stanju. Stoga uključena teorijska analiza uključuje spregu između fluidne i čvrste strukture i spregu između elektriciteta i strukture u piezoelektričnim materijalima.

 

2.2 Analiza polja spoja fluid-kruto pomoću konačnih elemenata

Analiza harmonijskog odziva čvrste strukture u fluidnom okruženju mora uključivati ​​interakciju između čvrste strukture i fluida. Pod pretpostavkom da je čvrsta konstrukcija elastično tijelo, njezine karakteristike ponašanja su u skladu s teorijom elastičnosti. Pretpostavljajući da je tekućina stlačiva (to jest, gustoća se mijenja s promjenama tlaka), neviskozna (to jest, nema viskoznog rasipanja) i neprotočna sredina, a njezina prosječna gustoća i tlak ostaju jednolični u analiziranom vododjelu, tada odgovara odgovarajućoj valnoj jednadžbi. Za analizu čvrste strukture pomoću konačnih elemenata, ova jednadžba razmatra tlačno opterećenje tekućine primijenjeno na sučelje čvrste strukture na sučelju fluid-kruto. Gdje je U čvorni pomak; P je nodalni tlak tekućine; M je matrica mase strukture; C je matrica prigušenja strukture; K je matrica krutosti konstrukcije; Q je matrica područja spajanja na sučelju fluid-kruto; f je čvrsta struktura Vektor sile na vrhu. Za analizu tekućih konačnih elemenata, temeljenu na varijacijskom principu ili metodi ponderiranih reziduala (tj. Galerkinova metoda), valna jednadžba može se diskretizirati standardnim konačnim elementom, te se konačno može dobiti jednadžba upravljanja tekućim konačnim elementom. Ova jednadžba uzima u obzir zahtjeve za kontinuitetom na međufazi fluid-kruto i gubitak energije zbog prigušenja. Gdje je E moment tromosti  matrice fluida ; A je matrica prigušenja tekućine; H je matrica krutosti fluida; ρ je gustoća tekućine; gornji desni indeks T je transponiranje matrice. Jednadžbe (1) i (2) daju jednadžbe sprezanja tekućine i krutine, koje se mogu kombinirati na sljedeći način: f1 je vektor strukturne sile koja djeluje na granicu tekućine i krutine; f2 uzrokovano je poljem početne valne sile (valne sile) Vektor sile koji djeluje na međupovršinu fluid-kruto. Budući da se pomak može smatrati gradijentom potencijala brzine, drugi oblik izraza jednadžbe sprezanja fluida i čvrstog konačnog elementa koji odgovara jednadžbi (3) može se dobiti pomoću jednadžbe (4).

 

2.3 Analiza polja spoja električne konstrukcije metodom konačnih elemenata

Piezoelektrični hidroakustički pretvarači koriste piezoelektrične materijale, stoga je važno razumjeti kako to radi. Na temelju kvazistatičke pretpostavke, odnosno da električno polje mora biti uravnoteženo s poljem elastičnog pomaka, može se dobiti linearna konstitutivna jednadžba za piezoelektrične materijale. T je polje naprezanja; D je električni pomak; S je polje deformacije; EV je električno polje; e je matrica konstante tlaka električne veze; εS je matrica dielektrične konstante; cE je matrica elastične krutosti piezoelektričnog materijala. Je li prigušna matrica piezoelektričnih materijala; KUΦ je piezoelektrična spojna matrica; KΦΦ je matrica dielektrične krutosti; F je vektor ukupne primijenjene sile; G je ukupni primijenjeni naboj.

 

3 Modeliranje i analiza konačnih elemenata

3.1 Model konačnih elemenata pretvornika tipa Tonpilz

Slika 2 prikazuje fizički shematski dijagram Tonpilz pretvornika koji se sastoji od četiri dijela: glave, repa, zateznog vijka i piezoelektrične keramike. Dva komada piezoelektrične keramike stisnuta su između glave i repa, a zatezni vijak postavljen je u središte kako bi se osigurao bliski kontakt između različitih dijelova. Glava pretvarača je cilindrična, tako da ima kružnu površinu koja zrači. Studije su pokazale da geometrijski parametri svakog dijela pretvornika imaju izravan utjecaj na njegove mehaničke faktore kvalitete, koji se mogu optimizirati nekim metodama]. Detaljne dimenzije i specifični parametri materijala svake komponente sonde u ovom članku prikazani su zasebno.

 

Tablica 1 i Tablica 2. Slika 3 prikazuje dvodimenzionalni osnosimetrični model konačnih elemenata i rubne uvjete Tonpilz pretvornika. Model je postavljen na ravnini XY, a njegova os simetrije je duž X osi. Model konačnih elemenata koristi četverokutne osnosimetrične elemente s četiri čvora za umrežavanje, uključujući 193 elementa i 240 čvorova. Dva piezoelektrična podvodna akustika postavljena je u suprotnim polaritetima, a smjer polarizacije je duž uzdužnog smjera sonde, što može poboljšati performanse odziva sonde. Tri elektrode postavljene su na kontaktnu površinu vezanu uz piezoelektričnu keramiku za pobudu ili mjerenje. Y-smjer ograničava vanjsku cilindričnu površinu glave, a X-smjer ograničava perifernu krajnju površinu glave blizu piezoelektrične keramike, ali nije u kontaktu s elektrodom. Ovo ograničenje odražava razmatranje stvarnih rubnih uvjeta sonde fiksirane za glavu. Smjer sile pretvarača je X smjer. Kada radi, vibrirat će u ovom smjeru.

 

3.2 Modalna analiza Tonpilz pretvornika

Tablica 3 navodi prvih 5 vlastitih frekvencija dobivenih modalnom analizom Tonpilz pretvornika u stanju kratkog spoja i uspoređuje rezultate analize USAP-a i ANSYS-a. Slika 4 prikazuje usporedbu prva tri moda prirodne frekvencije. Može se vidjeti da se rezultati analize USAP-a i ANSYS-a dobro slažu.

 

3.3 Analiza harmonijskog odziva pretvornika tipa Tonpilz u vodi

Slika 5. prikazuje dvodimenzionalni osnosimetrični model Tonpilz pretvornika u vodi, koji je također podijeljen četverokutnim osnosimetričnim elementima s 4 čvora, s 383 elementa i 444 čvora. Specifična struktura i rubni uvjeti Tonpilz sonde isti su kao oni prikazani na slici 3. U modelu na slici 5, glava Tonpilz sonde je u kontaktu s prednjom stranom zateznog vijka i vodom. Prilikom analize harmonijskog odziva na srednjoj elektrodi postavlja se sinusni napon amplitude 1V, a druge dvije elektrode su na naponu 0V. Frekvencijski raspon analize postavljen je na 10000Hz ~ 50000Hz. Kroz analizu harmonijskog odziva, pretvornik tipa Tonpilz emitira naponski odziv (skraćeno TVR), a analiza tlaka daje rezultate u vodi kao što je prikazano na slici 6. Čvor 419 odabran je kao točka izračuna koja se analizira. Analizirajte sliku 6 da dobijete

Njegova rezonantna frekvencija prvog reda je oko 19045 Hz. Na ovoj frekvenciji, raspodjela tlaka u vodi i deformacija Tonpilz pretvornika prikazani su na slici.

 

Analiza admitancije pretvornika tipa Tonpilz u vodi

 

Admitancija ili impedancija također je važan karakteristični parametar pretvarača. To je funkcija mehaničkih i akustičnih karakteristika pretvornika i učinkovita je metoda za analizu i proučavanje performansi pretvornika. Nakon analize, ovdje je admitansa kompleksan broj, izražen u sljedećem obliku: Tijekom analize postavite napon od 1V na srednjoj elektrodi, a napon od 0V na preostale dvije elektrode. Nakon proračuna, rezultati analize vodljivosti i susceptanse Tonpilzovog tipa sonde u vodi prikazani su na slici 8. I vodljivost i susceptansa imaju vrhove na rezonantnoj frekvenciji.

 

 

4 Zaključak

Metoda konačnih elemenata vrlo je učinkovita i praktična za analizu akustičkih parametara piezoelektrični akustični pretvarači . Osnosimetrični model konačnih elemenata pretvornika tipa Tonpilz uspostavljen u ovom radu analiziran je programom USAP za dinamiku (uključujući harmonijski odziv i modalne, itd.). Dobiveni rezultati razumno opisuju akustičke parametre ovog tipa podvodnog akustičnog pretvornika. Postoje još neki nedostaci u uspostavi i analizi modela, koje je potrebno dodatno poboljšati i usavršiti.