Analyse av akustiske egenskaper til piezoelektrisk akustisk undervannstransduser

Depiezoelektrisk akustisk undervannstransduser er en undervannsdeteksjonsenhet som kan fungere som både en driver og en sensor. Nøyaktig prediksjon av dens akustiske egenskaper i et støyende undervannsmiljø er svært viktig for utformingen av en robust og holdbar svinger. Den endelige elementmetoden er svært effektiv og praktisk for å analysere de ulike ytelsene til transduseren i forskjellige miljøer. En todimensjonal aksesymmetrisk finitt element-modell av en transduser av Tonpilz-type ble etablert, et program basert på finite element-metoden ble designet, og dynamisk analyse ble utført på den, inkludert modal analyse og harmonisk responsanalyse, etc., og noen akustiske egenskaper ble oppnådd. Resultatene av programanalysen og ANSYS programvareanalyseresultater viser god samsvar.

 

 

1 Introduksjon

Hydroakustiske transdusere spiller en nøkkelrolle i hydroakustisk konstruksjon. De siste årene, med den raske utviklingen av vitenskap og teknologi, har den kontinuerlige utviklingen av nye transdusermaterialer og anvendelse av nye analysemetoder i design av transdusere gjort transduseren Mange nye konsepter og nye metoder har dukket opp i forskning og design av. Som et slags smart materiale er piezoelektriske materialer mye brukt i  elektromekaniske felt, for eksempel piezoelektriske keramiske transformatorer og sonartransdusere. Depiezoelektrisk hydrofontransduser er en undervannsdeteksjonsenhet som kan fungere som en driver eller en sensor. I de fleste undervannsdeteksjonsapplikasjoner viser piezoelektriske transdusere god total ytelse: høy arbeidseffektivitet, fleksibel design og høy kostnadsytelse. Nøyaktig forhåndsberegning av de akustiske parameterne i et støyende undervannsmiljø er svært viktig for utformingen av en robust og holdbar svinger. Den endelige elementmetoden (forkortet FEM) kan brukes mye i ingeniøranalyse. Den kan analysere ytelsen til svingeren i forskjellige miljøer (som i luften eller i vannet). Det er etablert en todimensjonal aksesymmetrisk finitt element-modell av en transduser av Tonpilz-typen, som kan utføre modal, undervanns harmonisk respons og admittansanalyse. Analyseverktøyet bruker et undervannssensoranalyseprogram basert på finite element-metoden (forkortet USAP). Dette programmet er veldig praktisk for å analysere parameterne til transduseren som arbeider i vannet, så lenge de nødvendige inndatafilene er forberedt og analysetypen er valgt, kan den tilsvarende analysen gjøres.

 

2 Teoretisk analyse

 

2.1 Beskrivelse av arbeidsmiljøet til svingeren  vannet i

Figur 1 viser arbeidsmiljøet til svingeren i vann. Svingeren kan representeres av en kombinasjon av elastiske og smarte materialer. Et begrenset vannområde er inkludert rundt svingeren, og ulike grenser og arbeidsforhold vurderes. En uendelig væskegrense er satt i den ytterste periferien av det begrensede vannområdet for å gjøre det nærmere den virkelige arbeidstilstanden. Derfor inkluderer den involverte teoretiske analysen koblingen mellom flytende og fast struktur og koblingen mellom elektrisitet og struktur i piezoelektriske materialer.

 

2.2 Finite element analyse av fluid-solid koblingsfelt

Den harmoniske responsanalysen av en fast struktur i et flytende miljø må involvere interaksjonen mellom den faste strukturen og fluidet. Forutsatt at den faste strukturen er en elastisk kropp, samsvarer dens atferdsegenskaper med teorien om elastisitet. Forutsatt at væsken er komprimerbar (det vil si at tettheten endres med trykkendringer), ikke-viskøs (det vil si at det ikke er noen viskøs spredning) og ikke-flytbart medium, og dens gjennomsnittlige tetthet og trykk forblir ensartet i det analyserte vannskillet, så oppfyller man den tilsvarende bølgeligningen. For den endelige elementanalysen av den faste strukturen tar denne ligningen for seg trykkbelastningen til fluidet som påføres den faste struktur-grensesnittet ved fluid-faststoff-grensesnittet. Hvor U er nodalforskyvningen; P er nodalvæsketrykket; M er massematrisen til strukturen; C er dempningsmatrisen til strukturen; K er stivhetsmatrisen til strukturen; Q er koblingsarealmatrisen på fluid-faststoff-grensesnittet; f er den faste strukturen Kraftvektoren på toppen. For fluid finite element-analyse, basert på variasjonsprinsippet eller den vektede residualmetoden (dvs. Galerkin-metoden), kan bølgeligningen diskretiseres av standard finite element, og til slutt kan fluid finite element-kontrollligningen oppnås. Denne ligningen tar hensyn til kontinuitetskravene på fluid-faststoff-grensesnittet og energitapet på grunn av demping. Hvor E er treghetsmomentet til væskem  atrisen ; A er dempningsmatrisen til fluidet; H er stivhetsmatrisen til væsken; ρ er tettheten til væsken; den øvre høyre indeksen T er transponeringen av matrisen. Ligningene (1) og (2) gir fluid-faststoff-koblingsligningene, som kan kombineres som følger: f1 er den strukturelle kraftvektoren som virker på fluid-faststoff-grenseflaten; f2 er forårsaket av det innledende bølgekraftfeltet (bølgekraft) Kraftvektoren som virker på væske-faststoff-grensesnittet. Siden forskyvningen kan betraktes som gradienten av hastighetspotensialet, kan en annen uttrykksform av fluid-fast finite element koblingsligningen tilsvarende ligning (3) oppnås gjennom ligning (4).

 

2.3 Finite element analyse av elektrisk strukturkoblingsfelt

Piezoelektriske hydroakustiske transdusere bruker piezoelektriske materialer, så det er viktig å forstå hvordan det fungerer. Basert på den kvasi-statiske antagelsen, det vil si at det elektriske feltet må balanseres med det elastiske forskyvningsfeltet, kan den lineære konstitutive ligningen for piezoelektriske materialer oppnås. T er stressfeltet; D er den elektriske forskyvningen; S er tøyningsfeltet; EV er det elektriske feltet; e er trykket Elektrisk koblingskonstantmatrise; εS er den dielektriske konstantmatrisen; cE er den elastiske stivhetsmatrisen til det piezoelektriske materialet. Er dempende matrisen av piezoelektriske materialer; KUΦ er den piezoelektriske koblingsmatrisen; KΦΦ er den dielektriske stivhetsmatrisen; F er den totale påførte kraftvektoren; G er den totale påførte kostnaden.

 

3 Finite element modellering og analyse

3.1 Finite element-modell av svinger av Tonpilz-typen

Figur 2 viser det fysiske skjemaet av Tonpilz-svingeren, som består av fire deler: hode, hale, strekkbolt og piezoelektrisk keramikk. To stykker piezoelektrisk keramikk er klemt mellom hodet og halen, og en strekkbolt er plassert i midten for å sikre nær kontakt mellom de ulike delene. Transduserhodet er sylindrisk, så det har en sirkulær utstrålende overflate. Studier har vist at de geometriske parametrene til hver del av transduseren har en direkte innvirkning på dens mekaniske kvalitetsfaktorer, som kan optimaliseres med noen metoder]. De detaljerte dimensjonene og spesifikke materialparametrene for hver komponent av svingeren i denne artikkelen er vist separat.

 

Tabell 1 og Tabell 2. Figur 3 viser den todimensjonale aksesymmetriske endelige elementmodellen og grenseforholdene til Tonpilz-transduseren. Modellen er etablert på XY-planet, og dens symmetriakse er langs X-aksen. Den endelige elementmodellen bruker firkantede aksesymmetriske elementer med fire noder for meshing, inkludert 193 elementer og 240 noder. De to piezoelektrisk undervannsakustikk er plassert i motsatte polariteter, og polarisasjonsretningen er langs svingerens lengderetning, noe som kan forbedre responsytelsen til transduseren. Tre elektroder er plassert på kontaktflaten relatert til piezoelektrisk keramikk for eksitasjon eller måling. Y-retningen begrenser den ytre sylindriske overflaten av hodet, og X-retningen begrenser den perifere endeoverflaten av hodet nær den piezoelektriske keramikken, men ikke i kontakt med elektroden. Denne begrensningen gjenspeiler hensynet til de faktiske grensebetingelsene til transduseren Fast for hodet. Kraftretningen til transduseren er X-retningen. Når det fungerer, vil det vibrere i denne retningen.

 

3.2 Modal analyse av Tonpilz transduser

Tabell 3 viser de første 5 naturlige frekvensene oppnådd fra modalanalysen av Tonpilz-transduseren i kortslutningstilstand, og sammenligner analyseresultatene til USAP og ANSYS. Figur 4 viser sammenligningen av de tre første egenfrekvensmodusene. Det kan ses at analyseresultatene til USAP og ANSYS stemmer godt overens.

 

3.3 Harmonisk responsanalyse av Tonpilz-type transduser i vann

Figur 5 viser den todimensjonale aksesymmetriske modellen av Tonpilz-transduseren i vann, som også er delt av 4-nodes firkantede aksesymmetriske elementer, med 383 elementer og 444 noder. Den spesifikke strukturen og grensebetingelsene til Tonpilz-transduseren er de samme som vist i figur 3. I modellen i figur 5 er hodet på Tonpilz-transduseren i kontakt med frontflaten på strekkbolten og vannet. Når du utfører harmonisk responsanalyse, settes en sinusformet spenning med en amplitude på 1V på den midtre elektroden, og de to andre elektrodene har en spenning på 0V. Frekvensområdet for analysen er satt til 10000Hz~ 50000Hz. Gjennom den harmoniske responsanalysen avgir transduseren av Tonpilz-typen spenningsrespons (TVR for kort) og trykkanalyseresultater i vann som vist i figur 6. Node 419 er valgt som beregningspunkt som skal analyseres. Analyser figur 6 for å få

Dens første-ordens resonansfrekvens er rundt 19045Hz. Ved denne frekvensen er trykkfordelingen i vannet og deformasjonen til Tonpilz-transduseren vist i figuren.

 

Admittansanalyse av transduser av Tonpilz-type i vann

 

Admittans eller impedans er også en viktig karakteristisk parameter for transduseren. Det er en funksjon av de mekaniske og akustiske egenskapene til transduseren, og er en effektiv metode for å analysere og studere ytelsen til svingeren. Etter analyse er adgangen her et komplekst tall, uttrykt i følgende form: Under analysen, sett en spenning på 1V på den midterste elektrode, og en spenning på 0V på de resterende to elektrodene. Etter beregning er analyseresultatene av konduktansen og susceptansen til transduseren av Tonpilz-typen i vann vist i figur 8. Både konduktansen og susceptansen har topper ved resonansfrekvensen.

 

 

4 Konklusjon

Den endelige elementmetoden er svært effektiv og praktisk for å analysere de akustiske parameterne til piezoelektriske akustiske transdusere . Den aksesymmetriske endelige elementmodellen til transduseren av Tonpilz-typen som er etablert i denne artikkelen, er analysert av USAP-programmet for dynamikk (inkludert harmonisk respons og modal, etc.). Resultatene som er oppnådd beskriver rimeligvis de akustiske parameterne til denne typen undervanns akustiske transdusere. Det er fortsatt noen mangler ved etablering og analyse av modellen, som må forbedres og perfeksjoneres ytterligere.