Analiza caracteristicilor acustice ale traductorului acustic subacvatic piezoelectric

TheTraductorul acustic subacvatic piezoelectric este un dispozitiv de detectare subacvatic care poate funcționa atât ca driver, cât și ca senzor. Predicția precisă a caracteristicilor sale acustice într-un mediu subacvatic zgomotos este foarte importantă pentru proiectarea unui traductor robust și durabil. Metoda elementelor finite este foarte eficientă și practică pentru analiza diferitelor performanțe ale traductorului în diferite medii. S-a stabilit un model bidimensional cu elemente finite axisimetrice al unui traductor de tip Tonpilz, s-a conceput un program bazat pe metoda elementelor finite, pe care s-a efectuat analize dinamice, inclusiv analiza modală și analiza răspunsului armonic etc., și s-au obținut unele caracteristici acustice. Rezultatele analizei programului și rezultatele analizei software ANSYS arată un acord bun.

 

 

1 Introducere

Traductoarele hidroacustice joacă un rol cheie în ingineria hidroacustică. În ultimii ani, odată cu dezvoltarea rapidă a științei și tehnologiei, dezvoltarea continuă a noilor materiale pentru traductoare și aplicarea de noi metode de analiză în proiectarea traductoarelor au făcut ca traductorul să apară multe concepte noi și metode noi în cercetarea și proiectarea. Ca un fel de material inteligent, materialele piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă în  câmpurile electromecanice, cum ar fi transformatoarele ceramice piezoelectrice și traductoarele sonar. TheTraductorul hidrofon piezoelectric este un dispozitiv de detectare subacvatic, care poate funcționa ca driver sau senzor. În majoritatea aplicațiilor de detectare subacvatică, traductoarele piezoelectrice prezintă performanțe generale bune: eficiență ridicată a muncii, design flexibil și performanță la costuri ridicate. Precalcularea cu acuratețe a parametrilor săi acustici într-un mediu subacvatic zgomotos este foarte importantă pentru proiectarea unui traductor robust și durabil. Metoda elementelor finite (abreviată ca FEM) poate fi utilizată pe scară largă în analiza inginerească. Poate analiza performanța traductorului în diferite medii (cum ar fi în aer sau în apă). se stabilește un model bidimensional cu elemente finite axisimetrice al unui traductor de tip Tonpilz, care poate efectua un răspuns modal, armonic subacvatic și analiză de admitere. Instrumentul de analiză utilizează un program de analiză a senzorilor subacvatici bazat pe metoda elementelor finite (USAP, pe scurt). Acest program este foarte practic pentru analiza parametrilor traductorului care lucrează în apă, atâta timp cât sunt pregătite fișierele de intrare necesare și se selectează tipul de analiză, se poate face analiza corespunzătoare.

 

2 Analiză teoretică

 

2.1 Descrierea mediului de lucru al traductorului  apă în

Figura 1 prezintă mediul de lucru al traductorului în apă. Traductorul poate fi reprezentat printr-o combinație de materiale elastice și inteligente. O zonă limitată de apă este inclusă în jurul traductorului și sunt luate în considerare diferite limite și condiții de lucru. O limită infinită de fluid este stabilită la periferia cea mai exterioară a zonei limitate de apă pentru a o face mai aproape de starea reală de lucru. Prin urmare, analiza teoretică implicată include cuplarea dintre structura fluidă și solidă și cuplarea dintre electricitate și structură în materialele piezoelectrice.

 

2.2 Analiza cu elemente finite a câmpului de cuplare fluid-solid

Analiza răspunsului armonic al unei structuri solide într-un mediu fluid trebuie să implice interacțiunea dintre structura solidă și fluid. Presupunând că structura solidă este un corp elastic, caracteristicile sale de comportament sunt conforme cu teoria elasticității. Presupunând că fluidul este compresibil (adică densitatea se modifică odată cu schimbările de presiune), nevâscos (adică nu există disipare vâscoasă) și mediu necurgător, iar densitatea și presiunea medie a acestuia rămân uniforme în bazinul hidrografic analizat, atunci se întâlnește ecuația de undă corespunzătoare. Pentru analiza cu elemente finite a structurii solide, această ecuație ia în considerare sarcina de presiune a fluidului aplicată la interfața structurii solide la interfața fluid-solid. Unde U este deplasarea nodal; P este presiunea fluidului nodal; M este matricea de masă a structurii; C este matricea de amortizare a structurii; K este matricea de rigiditate a structurii; Q este matricea zonei de cuplare pe interfața fluid-solid; f este structura solidă Vectorul forță din partea de sus. Pentru analiza cu elemente finite fluide, bazată pe principiul variațional sau metoda reziduală ponderată (de exemplu metoda Galerkin), ecuația de undă poate fi discretizată prin element finit standard, iar în final se poate obține ecuația de control al elementului finit fluid. Această ecuație ia în considerare cerințele de continuitate pe interfața fluid-solid și pierderea de energie datorată amortizarii. Unde E este momentul de inerție al  matricei fluidului ; A este matricea de amortizare a fluidului; H este matricea de rigiditate a fluidului; ρ este densitatea fluidului; indicele din dreapta sus T este transpunerea matricei. Ecuațiile (1) și (2) dau ecuațiile de cuplare fluid-solid, care pot fi combinate astfel: f1 este vectorul forță structurală care acționează asupra interfeței fluid-solid; f2 este cauzată de câmpul inițial de forță a undei (forța de undă) Vectorul de forță care acționează asupra interfeței fluid-solid. Deoarece deplasarea poate fi privită ca gradient al potențialului de viteză, o altă formă de expresie a ecuației de cuplare fluid-element finit corespunzătoare ecuației (3) poate fi obținută prin ecuația (4).

 

2.3 Analiza cu elemente finite a câmpului de cuplare electric-structură

Traductoarele hidroacustice piezoelectrice folosesc materiale piezoelectrice, deci este important să înțelegeți cum funcționează. Pe baza ipotezei cvasi-statice, adică câmpul electric trebuie echilibrat cu câmpul de deplasare elastică, se poate obține ecuația constitutivă liniară pentru materiale piezoelectrice. T este câmpul de stres; D este deplasarea electrică; S este câmpul de deformare; EV este câmpul electric; e este presiunea Matricea constantei de cuplare electrică; εS este matricea constantei dielectrice; cE este matricea de rigiditate elastică a materialului piezoelectric. Este matricea de amortizare a materialelor piezoelectrice; KUΦ este matricea de cuplare piezoelectrică; KΦΦ este matricea de rigiditate dielectrică; F este vectorul forței aplicate total; G este taxa totală aplicată.

 

3 Modelare și analiză cu elemente finite

3.1 Modelul cu elemente finite al traductorului de tip Tonpilz

Figura 2 prezintă schema fizică a traductorului Tonpilz, care constă din patru părți: cap, coadă, șurub de tensionare și ceramică piezoelectrică. Două bucăți de ceramică piezoelectrică sunt cuprinse între cap și coadă, iar un șurub de tensionare este plasat în centru pentru a asigura un contact strâns între diferitele părți. Capul traductorului este cilindric, deci are o suprafață radiantă circulară. Studiile au arătat că parametrii geometrici ai fiecărei părți a traductorului au un impact direct asupra factorilor mecanici de calitate ai acestuia, care pot fi optimizați prin unele metode]. Dimensiunile detaliate și parametrii specifici de material ai fiecărei componente a traductorului din acest articol sunt afișate separat.

 

Tabelul 1 și Tabelul 2. Figura 3 prezintă modelul bidimensional cu elemente finite simetrice și condițiile la limită ale traductorului Tonpilz. Modelul este stabilit pe planul XY, iar axa sa de simetrie este de-a lungul axei X. Modelul cu elemente finite folosește elemente patrulatere axisimetrice cu patru noduri pentru ochiuri, inclusiv 193 de elemente și 240 de noduri. Cei doi Acustica subacvatică piezoelectrică este plasată în polarități opuse, iar direcția de polarizare este de-a lungul direcției longitudinale a traductorului, ceea ce poate îmbunătăți performanța de răspuns a traductorului. Trei electrozi sunt plasați pe suprafața de contact aferentă ceramicii piezoelectrice pentru excitare sau măsurare. Direcția Y limitează suprafața cilindrică exterioară a capului, iar direcția X restrânge suprafața periferică a capului aproape de ceramica piezoelectrică, dar nu în contact cu electrodul. Această restricție reflectă luarea în considerare a condițiilor limită reale ale traductorului Fixat pentru cap. Direcția forței traductorului este direcția X. Când funcționează, va vibra în această direcție.

 

3.2 Analiza modală a traductorului Tonpilz

Tabelul 3 enumeră primele 5 frecvențe naturale obținute din analiza modală a traductorului Tonpilz în stare de scurtcircuit și compară rezultatele analizei USAP și ANSYS. Figura 4 arată compararea primelor trei moduri de frecvență naturală. Se poate observa că rezultatele analizelor USAP și ANSYS sunt în acord bun.

 

3.3 Analiza răspunsului armonic al traductorului de tip Tonpilz în apă

Figura 5 prezintă modelul bidimensional axisimetric al traductorului Tonpilz în apă, care este, de asemenea, împărțit la elemente patrulatere axisimetrice cu 4 noduri, cu 383 de elemente și 444 de noduri. Structura specifică și condițiile limită ale traductorului Tonpilz sunt aceleași cu cele prezentate în Figura 3. În modelul din Figura 5, capul traductorului Tonpilz este în contact cu fața frontală a șurubului de tensionare și apă. Când se efectuează analiza răspunsului armonic, pe electrodul din mijloc este setată o tensiune sinusoidală cu o amplitudine de 1V, iar ceilalți doi electrozi sunt la o tensiune de 0V. Intervalul de frecvență al analizei este setat la 10000Hz~ 50000Hz. Prin analiza răspunsului armonic, traductorul de tip Tonpilz emite răspuns la tensiune (TVR pe scurt) și analiza presiunii are ca rezultat apă, așa cum se arată în Figura 6. Nodul 419 este selectat ca punct de calcul care trebuie analizat. Analizați Figura 6 pentru a obține

Frecvența sa de rezonanță de ordinul întâi este de aproximativ 19045 Hz. La această frecvență, distribuția presiunii în apă și deformarea traductorului Tonpilz sunt prezentate în figură.

 

Analiza de admitere a traductorului de tip Tonpilz în apă

 

Admitența sau impedanța este, de asemenea, un parametru caracteristic important al traductorului. Este o funcție a caracteristicilor mecanice și acustice ale traductorului și este o metodă eficientă pentru analiza și studierea performanței traductorului. După analiză, admitanța aici este un număr complex, exprimat în următoarea formă: în timpul analizei, setați o tensiune de 1V pe electrodul din mijloc și o tensiune de 0V pe cei doi electrozi rămași. După calcul, rezultatele analizei conductanței și susceptanței traductorului de tip Tonpilz în apă sunt prezentate în Figura 8. Atât conductanța, cât și susceptanța au vârfuri la frecvența de rezonanță.

 

 

4 Concluzie

Metoda elementelor finite este foarte eficientă și practică pentru analiza parametrilor acustici ai traductoare acustice piezoelectrice . Modelul axisimetric cu elemente finite al traductorului de tip Tonpilz stabilit în această lucrare este analizat de programul USAP pentru dinamică (inclusiv răspuns armonic și modal etc.). Rezultatele obtinute descriu in mod rezonabil parametrii acustici ai acestui tip de traductor acustic subacvatic. Există încă unele deficiențe în stabilirea și analiza modelului, care trebuie îmbunătățite și perfecționate în continuare.