Analisi delle caratteristiche acustiche del trasduttore acustico subacqueo piezoelettrico

ILIl trasduttore acustico subacqueo piezoelettrico è un dispositivo di rilevamento subacqueo che può funzionare sia come driver che come sensore. La previsione accurata delle sue caratteristiche acustiche in un ambiente subacqueo rumoroso è molto importante per la progettazione di un trasduttore robusto e durevole. Il metodo degli elementi finiti è molto efficace e pratico per analizzare le varie prestazioni del trasduttore in diversi ambienti. È stato stabilito un modello assialsimmetrico bidimensionale agli elementi finiti di un trasduttore di tipo Tonpilz, è stato progettato un programma basato sul metodo degli elementi finiti e su di esso è stata eseguita un'analisi dinamica, inclusa l'analisi modale e l'analisi della risposta armonica, ecc., e sono state ottenute alcune caratteristiche acustiche. I risultati dell'analisi del programma e quelli dell'analisi del software ANSYS mostrano un buon accordo.

 

 

1 Introduzione

I trasduttori idroacustici svolgono un ruolo chiave nell'ingegneria idroacustica. Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, il continuo sviluppo di nuovi materiali per trasduttori e l'applicazione di nuovi metodi di analisi nella progettazione dei trasduttori hanno reso i trasduttori molti nuovi concetti e nuovi metodi emersi nella ricerca e nella progettazione di. Essendo una sorta di materiale intelligente, i materiali piezoelettrici sono ampiamente utilizzati nei  campi elettromeccanici, come i trasformatori ceramici piezoelettrici e i trasduttori sonar. ILIl trasduttore idrofono piezoelettrico è un dispositivo di rilevamento subacqueo, che può funzionare come driver o sensore. Nella maggior parte delle applicazioni di rilevamento subacqueo, i trasduttori piezoelettrici mostrano buone prestazioni complessive: elevata efficienza di lavoro, design flessibile e prestazioni ad alto costo. Precalcolare accuratamente i parametri acustici in un ambiente subacqueo rumoroso è molto importante per la progettazione di un trasduttore robusto e durevole. Il metodo degli elementi finiti (abbreviato in FEM) può essere ampiamente utilizzato nell'analisi ingegneristica. Può analizzare le prestazioni del trasduttore in diversi ambienti (come nell'aria o nell'acqua). viene creato un modello bidimensionale assialsimmetrico agli elementi finiti di un trasduttore di tipo Tonpilz, in grado di eseguire analisi modali, di risposta armonica subacquea e di ammettenza. Lo strumento di analisi utilizza un programma di analisi di sensori subacquei basato sul metodo degli elementi finiti (in breve USAP). Questo programma è molto pratico per analizzare i parametri del trasduttore che lavora in acqua, purché siano preparati i file di input necessari e selezionato il tipo di analisi, è possibile eseguire l'analisi corrispondente.

 

2 Analisi teorica

 

2.1 Descrizione dell'ambiente di lavoro del trasduttore  acqua in

La Figura 1 mostra l'ambiente di lavoro del trasduttore in acqua. Il trasduttore può essere rappresentato da una combinazione di materiali elastici e intelligenti. Intorno al trasduttore è inclusa un'area d'acqua limitata e vengono considerati diversi confini e condizioni di lavoro. Un confine fluido infinito è posto alla periferia più esterna dell'area limitata dell'acqua per renderla più vicina allo stato di funzionamento reale. Pertanto, l'analisi teorica coinvolta include l'accoppiamento tra fluido e struttura solida e l'accoppiamento tra elettricità e struttura nei materiali piezoelettrici.

 

2.2 Analisi agli elementi finiti del campo di accoppiamento fluido-solido

L'analisi della risposta armonica di una struttura solida in un ambiente fluido deve coinvolgere l'interazione tra la struttura solida e il fluido. Assumendo che la struttura solida sia un corpo elastico, le sue caratteristiche di comportamento sono conformi alla teoria dell'elasticità. Supponendo che il fluido sia comprimibile (cioè, la densità cambia con i cambiamenti di pressione), non viscoso (cioè, non c'è dissipazione viscosa) e non fluido, e la sua densità media e pressione rimangono uniformi nel bacino idrografico analizzato, quindi soddisfa l'equazione d'onda corrispondente. Per l'analisi agli elementi finiti della struttura solida, questa equazione considera il carico di pressione del fluido applicato all'interfaccia della struttura solida all'interfaccia fluido-solido. Dove U è lo spostamento nodale; P è la pressione del fluido nodale; M è la matrice di massa della struttura; C è la matrice smorzante della struttura; K è la matrice di rigidezza della struttura; Q è la matrice delle aree di accoppiamento sull'interfaccia fluido-solido; f è la struttura solida Il vettore forza in alto. Per l'analisi degli elementi finiti del fluido, basata sul principio variazionale o sul metodo dei residui ponderati (ovvero il metodo Galerkin), l'equazione d'onda può essere discretizzata per elemento finito standard e infine si può ottenere l'equazione di controllo degli elementi finiti del fluido. Questa equazione tiene conto dei requisiti di continuità sull'interfaccia fluido-solido e della perdita di energia dovuta allo smorzamento. Dove E è il momento d'inerzia della  matrice fluida ; A è la matrice di smorzamento del fluido; H è la matrice di rigidezza del fluido; ρ è la densità del fluido; l'indice T in alto a destra è la trasposta della matrice. Le equazioni (1) e (2) forniscono le equazioni di accoppiamento fluido-solido, che possono essere combinate come segue: f1 è il vettore della forza strutturale agente sull'interfaccia fluido-solido; f2 è causato dal campo di forza dell'onda iniziale (forza dell'onda). Il vettore di forza che agisce sull'interfaccia fluido-solido. Poiché lo spostamento può essere considerato come il gradiente del potenziale di velocità, un'altra forma di espressione dell'equazione di accoppiamento fluido-solido agli elementi finiti corrispondente all'equazione (3) può essere ottenuta tramite l'equazione (4).

 

2.3 Analisi agli elementi finiti del campo di accoppiamento elettrico-struttura

I trasduttori idroacustici piezoelettrici utilizzano materiali piezoelettrici, quindi è importante capire come funzionano. Partendo dal presupposto quasi statico, cioè che il campo elettrico deve essere bilanciato con il campo di spostamento elastico, si può ottenere l'equazione costitutiva lineare per i materiali piezoelettrici. T è il campo di stress; D è la cilindrata elettrica; S è il campo di deformazione; EV è il campo elettrico; e è la matrice delle costanti di accoppiamento elettrico della pressione; εS è la matrice della costante dielettrica; cE è la matrice di rigidità elastica del materiale piezoelettrico. È la matrice di smorzamento dei materiali piezoelettrici; KUΦ è la matrice di accoppiamento piezoelettrico; KΦΦ è la matrice della rigidezza dielettrica; F è il vettore della forza totale applicata; G è la carica totale applicata.

 

3 Modellazione e analisi agli elementi finiti

3.1 Modello agli elementi finiti del trasduttore di tipo Tonpilz

La Figura 2 mostra il diagramma schematico fisico del trasduttore Tonpilz, che consiste di quattro parti: testa, coda, bullone di tensione e ceramica piezoelettrica. Due pezzi di ceramica piezoelettrica sono inseriti tra la testa e la coda e un bullone di tensione è posizionato al centro per garantire uno stretto contatto tra le varie parti. La testa del trasduttore è cilindrica, quindi ha una superficie radiante circolare. Gli studi hanno dimostrato che i parametri geometrici di ciascuna parte del trasduttore hanno un impatto diretto sui suoi fattori di qualità meccanica, che possono essere ottimizzati con alcuni metodi]. Le dimensioni dettagliate e i parametri dei materiali specifici di ciascun componente del trasduttore in questo articolo sono mostrati separatamente.

 

Tabella 1 e Tabella 2. La Figura 3 mostra il modello bidimensionale assialsimmetrico agli elementi finiti e le condizioni al contorno del trasduttore Tonpilz. Il modello è stabilito sul piano XY e il suo asse di simmetria è lungo l'asse X. Il modello agli elementi finiti utilizza elementi quadrilateri assialsimmetrici a quattro nodi per la mesh, inclusi 193 elementi e 240 nodi. I due l'acustica subacquea piezoelettrica è posizionata in polarità opposte e la direzione di polarizzazione è lungo la direzione longitudinale del trasduttore, il che può migliorare le prestazioni di risposta del trasduttore. Tre elettrodi sono posizionati sulla superficie di contatto relativa alla ceramica piezoelettrica per l'eccitazione o la misurazione. La direzione Y limita la superficie cilindrica esterna della testa, e la direzione X limita la superficie terminale periferica della testa vicino alla ceramica piezoelettrica ma non a contatto con l'elettrodo. Questa limitazione riflette la considerazione delle effettive condizioni al contorno del trasduttore Fisso per la testa. La direzione della forza del trasduttore è la direzione X. Quando funziona, vibrerà in questa direzione.

 

3.2 Analisi modale del trasduttore Tonpilz

La tabella 3 elenca le prime 5 frequenze naturali ottenute dall'analisi modale del trasduttore Tonpilz nello stato di cortocircuito e confronta i risultati dell'analisi di USAP e ANSYS. La Figura 4 mostra il confronto dei primi tre modi di frequenza naturale. Si può vedere che i risultati delle analisi di USAP e ANSYS sono in buon accordo.

 

3.3 Analisi della risposta armonica del trasduttore tipo Tonpilz in acqua

La Figura 5 mostra il modello assialsimmetrico bidimensionale del trasduttore Tonpilz in acqua, anch'esso diviso da elementi assialsimmetrici quadrilateri a 4 nodi, con 383 elementi e 444 nodi. La struttura specifica e le condizioni al contorno del trasduttore Tonpilz sono le stesse mostrate nella Figura 3. Nel modello della Figura 5, la testa del trasduttore Tonpilz è in contatto con la faccia anteriore del bullone di tensione e con l'acqua. Quando si esegue l'analisi della risposta armonica, sull'elettrodo centrale viene impostata una tensione sinusoidale con un'ampiezza di 1 V e gli altri due elettrodi hanno una tensione di 0 V. La gamma di frequenza dell'analisi è impostata su 10.000 Hz~ 50.000 Hz. Attraverso l'analisi della risposta armonica, il trasduttore di tipo Tonpilz emette la risposta in tensione (TVR in breve) e i risultati dell'analisi della pressione nell'acqua, come mostrato nella Figura 6. Il nodo 419 viene selezionato come punto di calcolo da analizzare. Analizzare la Figura 6 per ottenere

La sua frequenza di risonanza del primo ordine è di circa 19045Hz. A questa frequenza è mostrata in figura la distribuzione della pressione nell'acqua e la deformazione del trasduttore Tonpilz.

 

Analisi dell'ammettenza del trasduttore tipo Tonpilz in acqua

 

Anche l'ammettenza o l'impedenza è un importante parametro caratteristico del trasduttore. È una funzione delle caratteristiche meccaniche e acustiche del trasduttore ed è un metodo efficace per analizzare e studiare le prestazioni del trasduttore. Dopo l'analisi, l'ammettenza qui è un numero complesso, espresso nella seguente forma: Durante l'analisi, impostare una tensione di 1 V sull'elettrodo centrale e una tensione di 0 V sui restanti due elettrodi. Dopo il calcolo, i risultati dell'analisi della conduttanza e della suscettanza del trasduttore di tipo Tonpilz nell'acqua sono mostrati nella Figura 8. Sia la conduttanza che la suscettanza presentano picchi alla frequenza di risonanza.

 

 

4 Conclusione

Il metodo degli elementi finiti è molto efficace e pratico per analizzare i parametri acustici di trasduttori acustici piezoelettrici . Il modello assialsimmetrico agli elementi finiti del trasduttore di tipo Tonpilz stabilito in questo documento viene analizzato dal programma USAP per la dinamica (inclusa la risposta armonica e modale, ecc.). I risultati ottenuti descrivono ragionevolmente i parametri acustici di questo tipo di trasduttore acustico subacqueo. Permangono ancora alcune lacune nella definizione e nell'analisi del modello, che necessitano di essere ulteriormente migliorate e perfezionate.