Analisis Karakteristik Akustik Transduser Akustik Bawah Air Piezoelektrik

Itutransduser akustik bawah air piezoelektrik adalah perangkat pendeteksi bawah air yang dapat berfungsi sebagai penggerak dan sensor. Prediksi akurat mengenai karakteristik akustiknya di lingkungan bawah air yang bising sangat penting untuk desain transduser yang kuat dan tahan lama. Metode elemen hingga sangat efektif dan praktis untuk menganalisis berbagai kinerja transduser di lingkungan yang berbeda. Model elemen hingga aksisimetri dua dimensi dari transduser tipe Tonpilz dibuat, program berdasarkan metode elemen hingga dirancang, dan analisis dinamis dilakukan padanya, termasuk analisis modal dan analisis respons harmonik, dll., dan beberapa karakteristik akustik diperoleh. Hasil analisis program dan hasil analisis perangkat lunak ANSYS menunjukkan kesesuaian yang baik.

 

 

1 Pendahuluan

Transduser hidroakustik memainkan peran penting dalam rekayasa hidroakustik. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan pesatnya perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, pengembangan berkelanjutan bahan transduser baru dan penerapan metode analisis baru dalam desain transduser telah menjadikan transduser Banyak konsep dan metode baru telah muncul dalam penelitian dan desain. Sebagai salah satu jenis material pintar, material piezoelektrik banyak digunakan dalam  bidang elektromekanis, seperti trafo keramik piezoelektrik dan transduser sonar. Itutransduser hidrofon piezoelektrik adalah alat pendeteksi bawah air yang dapat berfungsi sebagai penggerak atau sensor. Di sebagian besar aplikasi deteksi bawah air, transduser piezoelektrik menunjukkan kinerja keseluruhan yang baik: efisiensi kerja yang tinggi, desain yang fleksibel, dan kinerja biaya tinggi. Menghitung parameter akustiknya secara akurat di lingkungan bawah air yang bising sangat penting untuk desain transduser yang kuat dan tahan lama. Metode elemen hingga (disingkat FEM) dapat digunakan secara luas dalam analisis teknik. Hal ini dapat menganalisis kinerja transduser di lingkungan yang berbeda (seperti di udara atau di air). model elemen hingga aksisimetris dua dimensi dari transduser tipe Tonpilz telah dibuat, yang dapat melakukan modal, respons harmonik bawah air, dan analisis masuk. Alat analisisnya menggunakan program analisis sensor bawah air berbasis metode elemen hingga (disingkat USAP). Program ini sangat praktis untuk menganalisis parameter transduser yang bekerja di dalam air, selama file masukan yang diperlukan telah disiapkan dan jenis analisis dipilih, analisis yang sesuai dapat dilakukan.

 

2 Analisis teoritis

 

2.1 Deskripsi lingkungan kerja transduser di  air dalam

Gambar 1 menunjukkan lingkungan kerja transduser di dalam air. Transduser dapat diwakili oleh kombinasi bahan elastis dan cerdas. Area perairan terbatas disertakan di sekitar transduser, dan batasan serta kondisi kerja yang berbeda dipertimbangkan. Batas fluida tak hingga ditetapkan di pinggiran terluar dari wilayah perairan terbatas agar lebih dekat dengan kondisi kerja sebenarnya. Oleh karena itu, analisis teoritis yang terlibat mencakup hubungan antara struktur fluida dan padat serta hubungan antara listrik dan struktur pada bahan piezoelektrik.

 

2.2 Analisis elemen hingga bidang kopling fluida-padat

Analisis respon harmonik struktur padat dalam lingkungan fluida harus melibatkan interaksi antara struktur padat dan fluida. Dengan asumsi bahwa struktur padat adalah benda elastis, karakteristik perilakunya sesuai dengan teori elastisitas. Dengan asumsi bahwa fluida tersebut bersifat kompresibel (yaitu, massa jenis berubah seiring dengan perubahan tekanan), tidak kental (yaitu, tidak ada disipasi kental) dan media tidak dapat mengalir, serta massa jenis dan tekanan rata-ratanya tetap seragam di daerah aliran sungai yang dianalisis, maka penuhi persamaan gelombang yang sesuai. Untuk analisis elemen hingga struktur padat, persamaan ini mempertimbangkan beban tekanan fluida yang diterapkan pada antarmuka struktur padat pada antarmuka fluida-padatan. Dimana U adalah perpindahan nodal; P adalah tekanan fluida nodal; M adalah matriks massa struktur; C adalah matriks redaman struktur; K adalah matriks kekakuan struktur; Q adalah matriks area kopling pada antarmuka fluida-padat; f adalah struktur padat. Vektor gaya di atas. Untuk analisis elemen hingga fluida, berdasarkan prinsip variasi atau metode residu tertimbang (yaitu metode Galerkin), persamaan gelombang dapat didiskritisasikan dengan elemen hingga standar, dan akhirnya persamaan kendali elemen hingga fluida dapat diperoleh. Persamaan ini memperhitungkan persyaratan kontinuitas pada antarmuka fluida-padat dan kehilangan energi akibat redaman. Dimana E adalah momen inersia  m matriks fluida; A adalah matriks redaman fluida; H adalah matriks kekakuan fluida; ρ adalah massa jenis fluida; indeks kanan atas T adalah transpos matriks. Persamaan (1) dan (2) menghasilkan persamaan kopling fluida-padat, yang dapat digabungkan sebagai berikut: f1 adalah vektor gaya struktural yang bekerja pada antarmuka fluida-padatan; f2 disebabkan oleh gaya gelombang awal (wave force) medan vektor gaya yang bekerja pada antarmuka fluida-padat. Karena perpindahan dapat dianggap sebagai gradien potensial kecepatan, bentuk ekspresi lain dari persamaan kopling elemen hingga fluida-padat yang sesuai dengan persamaan (3) dapat diperoleh melalui persamaan (4).

 

2.3 Analisis elemen hingga bidang kopling struktur listrik

Transduser hidroakustik piezoelektrik menggunakan bahan piezoelektrik, sehingga penting untuk memahami cara kerjanya. Berdasarkan asumsi kuasi statik yaitu medan listrik harus seimbang dengan medan perpindahan elastis maka dapat diperoleh persamaan konstitutif linier untuk bahan piezoelektrik. T adalah bidang stres; D adalah perpindahan listrik; S adalah bidang regangan; EV adalah medan listrik; e adalah matriks konstanta kopling listrik tekanan; εS adalah matriks konstanta dielektrik; ce adalah matriks kekakuan elastis bahan piezoelektrik. Apakah matriks redaman bahan piezoelektrik; KUΦ adalah matriks kopling piezoelektrik; KΦΦ adalah matriks kekakuan dielektrik; F adalah vektor gaya total yang diterapkan; G adalah total biaya yang dikenakan.

 

3 Pemodelan dan analisis elemen hingga

3.1 Model elemen hingga transduser tipe Tonpilz

Gambar 2 menunjukkan diagram skema fisik transduser Tonpilz, yang terdiri dari empat bagian: kepala, ekor, baut penegang, dan keramik piezoelektrik. Dua potong keramik piezoelektrik diapit di antara kepala dan ekor, dan baut penegang ditempatkan di tengah untuk memastikan kontak erat antara berbagai bagian. Kepala transduser berbentuk silinder, sehingga mempunyai permukaan radiasi melingkar. Penelitian telah menunjukkan bahwa parameter geometri setiap bagian transduser mempunyai dampak langsung terhadap faktor kualitas mekanisnya, yang dapat dioptimalkan dengan beberapa metode]. Dimensi rinci dan parameter material spesifik dari setiap komponen transduser dalam artikel ini ditampilkan secara terpisah.

 

Tabel 1 dan Tabel 2. Gambar 3 menunjukkan model elemen hingga aksisimetri dua dimensi dan kondisi batas transduser Tonpilz. Model dibuat pada bidang XY, dan sumbu simetrinya berada di sepanjang sumbu X. Model elemen hingga menggunakan elemen aksisimetris segiempat empat titik simpul untuk penyambungan, termasuk 193 elemen dan 240 titik. Keduanya akustik bawah air piezoelektrik ditempatkan pada polaritas yang berlawanan, dan arah polarisasi sepanjang arah longitudinal transduser, yang dapat meningkatkan kinerja respons transduser. Tiga elektroda ditempatkan pada permukaan kontak yang berhubungan dengan keramik piezoelektrik untuk eksitasi atau pengukuran. Arah Y membatasi permukaan silinder luar kepala, dan arah X membatasi permukaan ujung perifer kepala yang dekat dengan keramik piezoelektrik tetapi tidak bersentuhan dengan elektroda. Pembatasan ini mencerminkan pertimbangan kondisi batas aktual transduser yang dipasang pada head. Arah gaya transduser adalah arah X. Saat berfungsi, ia akan bergetar ke arah ini.

 

3.2 Analisis modal transduser Tonpilz

Tabel 3 mencantumkan 5 frekuensi alami pertama yang diperoleh dari analisis modal transduser Tonpilz dalam keadaan hubung singkat, dan membandingkan hasil analisis USAP dan ANSYS. Gambar 4 menunjukkan perbandingan tiga mode frekuensi natural pertama. Terlihat bahwa hasil analisis USAP dan ANSYS berada dalam kondisi yang baik.

 

3.3 Analisis respon harmonik transduser tipe Tonpilz dalam air

Gambar 5 menunjukkan model sumbu simetri dua dimensi transduser Tonpilz di dalam air, yang juga dibagi dengan elemen sumbu simetris segi empat 4 simpul, dengan 383 elemen dan 444 simpul. Struktur spesifik dan kondisi batas transduser Tonpilz sama dengan yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pada model pada Gambar 5, kepala transduser Tonpilz bersentuhan dengan bagian depan baut tegangan dan air. Saat melakukan analisis respon harmonik, tegangan sinusoidal dengan amplitudo 1V diatur pada elektroda tengah, dan dua elektroda lainnya diberi tegangan 0V. Rentang frekuensi analisis diatur ke 10.000Hz~ 50.000Hz. Melalui analisis respon harmonik, transduser tipe Tonpilz memancarkan respon tegangan (disingkat TVR) dan hasil analisis tekanan pada air seperti terlihat pada Gambar 6. Node 419 dipilih sebagai titik perhitungan yang akan dianalisis. Analisis Gambar 6 untuk mendapatkan

Frekuensi resonansi orde pertama adalah sekitar 19045Hz. Pada frekuensi ini, distribusi tekanan dalam air dan deformasi transduser Tonpilz ditunjukkan pada gambar.

 

Analisis masuknya transduser tipe Tonpilz dalam air

 

Penerimaan atau impedansi juga merupakan parameter karakteristik penting dari transduser. Ini adalah fungsi dari karakteristik mekanik dan akustik transduser, dan merupakan metode yang efektif untuk menganalisis dan mempelajari kinerja transduser. Setelah dianalisis, penerimaan di sini adalah bilangan kompleks, yang dinyatakan dalam bentuk berikut: Selama analisis, atur tegangan 1V pada elektroda tengah, dan tegangan 0V pada dua elektroda sisanya. Setelah dilakukan perhitungan, hasil analisis konduktansi dan suseptansi transduser tipe Tonpilz dalam air ditunjukkan pada Gambar 8. Baik konduktansi maupun suseptansi mempunyai puncak pada frekuensi resonansi.

 

 

4 Kesimpulan

Metode elemen hingga sangat efektif dan praktis untuk menganalisis parameter akustik transduser akustik piezoelektrik . Model elemen hingga axisymmetric dari transduser tipe Tonpilz yang dibuat dalam makalah ini dianalisis oleh program USAP untuk dinamika (termasuk respon harmonik dan modal, dll.). Hasil yang diperoleh cukup menggambarkan parameter akustik transduser akustik bawah air jenis ini. Masih terdapat beberapa kekurangan dalam penyusunan dan analisis model, sehingga perlu lebih ditingkatkan dan disempurnakan.