Analisis Ciri-ciri Akustik Transduser Akustik Bawah Air Piezoelektrik

Thetransduser akustik bawah air piezoelektrik ialah peranti pengesan bawah air yang boleh berfungsi sebagai pemandu dan penderia. Ramalan tepat ciri akustiknya dalam persekitaran bawah air yang bising adalah sangat penting untuk reka bentuk transduser yang teguh dan tahan lama. Kaedah elemen terhingga adalah sangat berkesan dan praktikal untuk menganalisis pelbagai prestasi transduser dalam persekitaran yang berbeza. Model unsur terhingga axisymmetric dua dimensi bagi transduser jenis Tonpilz telah ditubuhkan, program berdasarkan kaedah elemen terhingga telah direka bentuk, dan analisis dinamik telah dilakukan ke atasnya, termasuk analisis modal dan analisis tindak balas harmonik, dsb., dan beberapa ciri akustik telah diperolehi. Hasil analisis program dan keputusan analisis perisian ANSYS menunjukkan persetujuan yang baik.

 

 

1 Pengenalan

Transduser hidroakustik memainkan peranan penting dalam kejuruteraan hidroakustik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan pesat sains dan teknologi, pembangunan berterusan bahan transduser baharu dan penerapan kaedah analisis baharu dalam reka bentuk transduser telah menjadikan transduser Banyak konsep dan kaedah baharu telah muncul dalam penyelidikan dan reka bentuk. Sebagai sejenis bahan pintar, bahan piezoelektrik digunakan secara meluas dalam  bidang elektromekanikal, seperti transformer seramik piezoelektrik dan transduser sonar. Thetransduser hidrofon piezoelektrik ialah peranti pengesan bawah air, yang boleh berfungsi sebagai pemandu atau penderia. Dalam kebanyakan aplikasi pengesanan bawah air, transduser piezoelektrik menunjukkan prestasi keseluruhan yang baik: kecekapan kerja yang tinggi, reka bentuk yang fleksibel dan prestasi kos yang tinggi. Pra-pengiraan parameter akustiknya dengan tepat dalam persekitaran bawah air yang bising adalah sangat penting untuk reka bentuk transduser yang teguh dan tahan lama. Kaedah unsur terhingga (disingkatkan sebagai FEM) boleh digunakan secara meluas dalam analisis kejuruteraan. Ia boleh menganalisis prestasi transduser dalam persekitaran yang berbeza (seperti di udara atau di dalam air). model unsur terhingga paksisimetri dua dimensi bagi transduser jenis Tonpilz ditubuhkan, yang boleh melakukan modal, tindak balas harmonik bawah air dan analisis kemasukan. Alat analisis menggunakan program analisis sensor bawah air berdasarkan kaedah elemen terhingga (pendek kata USAP). Program ini sangat praktikal untuk menganalisis parameter transduser yang bekerja di dalam air, selagi fail input yang diperlukan disediakan dan jenis analisis dipilih, analisis yang sepadan boleh dibuat.

 

2 Analisis teori

 

2.1 Penerangan tentang persekitaran kerja transduser di  air dalam

Rajah 1 menunjukkan persekitaran kerja transduser di dalam air. Transduser boleh diwakili oleh gabungan bahan elastik dan pintar. Kawasan air terhad disertakan di sekeliling transduser, dan sempadan dan keadaan kerja yang berbeza dipertimbangkan. Sempadan bendalir tak terhingga ditetapkan di pinggir paling luar kawasan air terhad untuk menjadikannya lebih dekat dengan keadaan kerja sebenar. Oleh itu, analisis teori yang terlibat termasuk gandingan antara struktur cecair dan pepejal dan gandingan antara elektrik dan struktur dalam bahan piezoelektrik.

 

2.2 Analisis unsur terhingga medan gandingan cecair-pepejal

Analisis tindak balas harmonik bagi struktur pepejal dalam persekitaran bendalir mesti melibatkan interaksi antara struktur pepejal dan bendalir. Dengan mengandaikan bahawa struktur pepejal ialah jasad anjal, ciri-ciri tingkah lakunya menepati teori keanjalan. Dengan mengandaikan bahawa bendalir itu boleh dimampatkan (iaitu, ketumpatan berubah dengan perubahan tekanan), tidak likat (iaitu, tiada pelesapan likat) dan medium tidak boleh dialirkan, dan ketumpatan dan tekanan puratanya kekal seragam dalam tadahan air yang dianalisis, kemudian lihat persamaan gelombang yang sepadan. Untuk analisis unsur terhingga bagi struktur pepejal, persamaan ini mempertimbangkan beban tekanan bendalir yang digunakan pada antara muka struktur pepejal pada antara muka pepejal bendalir. Di mana U ialah anjakan nod; P ialah tekanan bendalir nod; M ialah matriks jisim struktur; C ialah matriks redaman struktur; K ialah matriks kekukuhan struktur; Q ialah matriks kawasan gandingan pada antara muka pepejal cecair; f ialah struktur pepejal Vektor daya di bahagian atas. Untuk analisis unsur terhingga bendalir, berdasarkan prinsip variasi atau kaedah baki berwajaran (iaitu kaedah Galerkin), persamaan gelombang boleh didiskritkan oleh unsur terhingga piawai, dan akhirnya persamaan kawalan unsur terhingga bendalir boleh diperolehi. Persamaan ini mengambil kira keperluan kesinambungan pada antara muka pepejal cecair dan kehilangan tenaga akibat redaman. Di mana E ialah momen inersia bendalir  m atriks; A ialah matriks redaman bendalir; H ialah matriks kekakuan bendalir; ρ ialah ketumpatan bendalir; indeks kanan atas T ialah transpose matriks. Persamaan (1) dan (2) memberikan persamaan gandingan cecair-pepejal, yang boleh digabungkan seperti berikut: f1 ialah vektor daya struktur yang bertindak pada antara muka pepejal cecair; f2 disebabkan oleh medan daya gelombang awal (daya gelombang) Vektor daya yang bertindak pada antara muka pepejal bendalir. Oleh kerana anjakan boleh dianggap sebagai kecerunan keupayaan halaju, satu lagi bentuk ungkapan bagi persamaan gandingan unsur terhingga pepejal cecair yang sepadan dengan persamaan (3) boleh diperoleh melalui persamaan (4).

 

2.3 Analisis unsur terhingga medan gandingan struktur elektrik

Transduser hidroakustik piezoelektrik menggunakan bahan piezoelektrik, jadi penting untuk memahami cara ia berfungsi. Berdasarkan andaian kuasi-statik, iaitu medan elektrik mestilah seimbang dengan medan sesaran elastik, persamaan konstitutif linear untuk bahan piezoelektrik boleh diperolehi. T ialah medan tegasan; D ialah anjakan elektrik; S ialah medan terikan; EV ialah medan elektrik; e ialah tekanan Matriks pemalar gandingan elektrik; εS ialah matriks pemalar dielektrik; cE ialah matriks kekukuhan elastik bahan piezoelektrik. Adakah matriks redaman bahan piezoelektrik; KUΦ ialah matriks gandingan piezoelektrik; KΦΦ ialah matriks kekakuan dielektrik; F ialah jumlah vektor daya gunaan; G ialah jumlah caj yang dikenakan.

 

3 Pemodelan dan analisis unsur terhingga

3.1 Model unsur terhingga transduser jenis Tonpilz

Rajah 2 menunjukkan gambarajah skematik fizikal transduser Tonpilz, yang terdiri daripada empat bahagian: kepala, ekor, bolt tegangan dan seramik piezoelektrik. Dua keping seramik piezoelektrik diapit di antara kepala dan ekor, dan bolt tegangan diletakkan di tengah untuk memastikan hubungan rapat antara pelbagai bahagian. Kepala transduser adalah silinder, jadi ia mempunyai permukaan memancar bulat. Kajian telah menunjukkan bahawa parameter geometri setiap bahagian transduser mempunyai kesan langsung ke atas faktor kualiti mekanikalnya, yang boleh dioptimumkan dengan beberapa kaedah]. Dimensi terperinci dan parameter bahan khusus bagi setiap komponen transduser dalam artikel ini ditunjukkan secara berasingan.

 

Jadual 1 dan Jadual 2. Rajah 3 menunjukkan model unsur terhingga paksisimetri dua dimensi dan keadaan sempadan transduser Tonpilz. Model ini ditubuhkan pada satah XY, dan paksi simetrinya berada di sepanjang paksi X. Model elemen terhingga menggunakan elemen paksisimetri empat nod segi empat untuk menjalin, termasuk 193 elemen dan 240 nod. Kedua-duanya akustik bawah air piezoelektrik diletakkan dalam kekutuban bertentangan, dan arah polarisasi adalah sepanjang arah membujur transduser, yang boleh meningkatkan prestasi tindak balas transduser. Tiga elektrod diletakkan pada permukaan sentuhan yang berkaitan dengan seramik piezoelektrik untuk pengujaan atau pengukuran. Arah Y mengehadkan permukaan silinder luar kepala, dan arah X mengehadkan permukaan hujung periferi kepala berhampiran dengan seramik piezoelektrik tetapi tidak bersentuhan dengan elektrod. Sekatan ini mencerminkan pertimbangan syarat sempadan sebenar transduser Tetap untuk kepala. Arah daya transduser ialah arah X. Apabila ia berfungsi, ia akan bergetar ke arah ini.

 

3.2 Analisis modal transduser Tonpilz

Jadual 3 menyenaraikan 5 frekuensi semula jadi pertama yang diperoleh daripada analisis modal transduser Tonpilz dalam keadaan litar pintas, dan membandingkan keputusan analisis USAP dan ANSYS. Rajah 4 menunjukkan perbandingan tiga mod frekuensi semula jadi yang pertama. Dapat dilihat bahawa keputusan analisis USAP dan ANSYS adalah dalam persetujuan yang baik.

 

3.3 Analisis tindak balas harmonik transduser jenis Tonpilz dalam air

Rajah 5 menunjukkan model paksisimetri dua dimensi transduser Tonpilz dalam air, yang juga dibahagikan dengan unsur paksisimetri segiempat 4-nod, dengan 383 elemen dan 444 nod. Struktur khusus dan keadaan sempadan transduser Tonpilz adalah sama seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Dalam model dalam Rajah 5, kepala transduser Tonpilz bersentuhan dengan muka hadapan bolt tegangan dan air. Apabila melakukan analisis tindak balas harmonik, voltan sinusoidal dengan amplitud 1V ditetapkan pada elektrod tengah, dan dua elektrod lain berada pada voltan 0V. Julat frekuensi analisis ditetapkan kepada 10000Hz~ 50000Hz. Melalui analisis tindak balas harmonik, transduser jenis Tonpilz mengeluarkan tindak balas voltan (TVR untuk pendek) dan analisis tekanan menghasilkan air seperti ditunjukkan dalam Rajah 6. Nod 419 dipilih sebagai titik pengiraan untuk dianalisis. Analisis Rajah 6 untuk mendapatkan

Kekerapan resonans tertib pertamanya ialah sekitar 19045Hz. Pada frekuensi ini, taburan tekanan dalam air dan ubah bentuk transduser Tonpilz ditunjukkan dalam rajah.

 

Analisis kemasukan transduser jenis Tonpilz dalam air

 

Kemasukan atau impedans juga merupakan parameter ciri penting transduser. Ia adalah fungsi ciri mekanikal dan akustik transduser, dan merupakan kaedah yang berkesan untuk menganalisis dan mengkaji prestasi transduser . Selepas analisis, kemasukan di sini ialah nombor kompleks, dinyatakan dalam bentuk berikut: Semasa analisis, tetapkan voltan 1V pada elektrod tengah, dan voltan 0V pada baki dua elektrod. Selepas pengiraan, keputusan analisis kekonduksian dan kepekaan transduser jenis Tonpilz dalam air ditunjukkan dalam Rajah 8. Kedua-dua konduktans dan susceptance mempunyai puncak pada frekuensi resonans.

 

 

4 Kesimpulan

Kaedah unsur terhingga sangat berkesan dan praktikal untuk menganalisis parameter akustik bagi transduser akustik piezoelektrik . Model unsur terhingga axisymmetric transduser jenis Tonpilz yang ditubuhkan dalam kertas ini dianalisis oleh program USAP untuk dinamik (termasuk tindak balas harmonik dan modal, dsb.). Keputusan yang diperolehi secara munasabah menggambarkan parameter akustik jenis transduser akustik bawah air ini. Masih terdapat beberapa kelemahan dalam penubuhan dan analisis model, yang perlu diperbaiki dan disempurnakan lagi.