Analys av akustiska egenskaper hos piezoelektrisk akustisk undervattensgivare

Depiezoelektrisk akustisk undervattensgivare är en undervattensdetektionsenhet som kan fungera som både en drivrutin och en sensor. Noggrann förutsägelse av dess akustiska egenskaper i en bullrig undervattensmiljö är mycket viktig för utformningen av en robust och hållbar givare. Finita elementmetoden är mycket effektiv och praktisk för att analysera givarens olika prestanda i olika miljöer. En tvådimensionell axisymmetrisk finita elementmodell av en givare av Tonpilz-typ upprättades, ett program baserat på finita elementmetoden designades och dynamisk analys utfördes på den, inklusive modalanalys och harmonisk responsanalys, etc., och några akustiska egenskaper erhölls. Resultaten av programanalysen och ANSYS mjukvaruanalysresultat visar en god överensstämmelse.

 

 

1 Introduktion

Hydroakustiska givare spelar en nyckelroll inom hydroakustisk teknik. Under de senaste åren, med den snabba utvecklingen av vetenskap och teknik, har den kontinuerliga utvecklingen av nya transduktormaterial och tillämpningen av nya analysmetoder i designen av transduktorer gjort transduktorn Många nya koncept och nya metoder har dykt upp i forskning och design av. Som ett slags smart material används piezoelektriska material i stor utsträckning inom  elektromekaniska områden, såsom piezoelektriska keramiska transformatorer och ekolodsgivare. Depiezoelektrisk hydrofongivare är en undervattensdetektionsenhet, som kan fungera som en förare eller en sensor. I de flesta applikationer för undervattensdetektion visar piezoelektriska givare god övergripande prestanda: hög arbetseffektivitet, flexibel design och hög kostnadsprestanda. Att noggrant förberäkna dess akustiska parametrar i en bullrig undervattensmiljö är mycket viktigt för konstruktionen av en robust och hållbar givare. Finita elementmetoden (förkortad FEM) kan användas i stor utsträckning inom ingenjörsanalys. Den kan analysera givarens prestanda i olika miljöer (som i luften eller i vattnet). En tvådimensionell axisymmetrisk finita elementmodell av en givare av Tonpilz-typ har etablerats, som kan utföra modal, undervattens harmonisk respons och admittansanalys. Analysverktyget använder ett undervattenssensoranalysprogram baserat på finita elementmetoden (USAP förkortat). Detta program är mycket praktiskt för att analysera parametrarna för givaren som arbetar i vattnet, så länge som de nödvändiga indatafilerna är förberedda och analystypen är vald, kan motsvarande analys göras.

 

2 Teoretisk analys

 

2.1 Beskrivning av givarens arbetsmiljö  vattnet i

Figur 1 visar arbetsmiljön för givaren i vatten. Givaren kan representeras av en kombination av elastiska och smarta material. Ett begränsat vattenområde ingår runt givaren och olika gränser och arbetsförhållanden beaktas. En oändlig vätskegräns sätts vid den yttersta periferin av det begränsade vattenområdet för att göra det närmare det verkliga arbetstillståndet. Därför inkluderar den involverade teoretiska analysen kopplingen mellan flytande och fast struktur och kopplingen mellan elektricitet och struktur i piezoelektriska material.

 

2.2 Finita elementanalys av vätske-fast kopplingsfält

Den harmoniska responsanalysen av en fast struktur i en flytande miljö måste involvera interaktionen mellan den fasta strukturen och fluiden. Om man antar att den fasta strukturen är en elastisk kropp, överensstämmer dess beteendeegenskaper med teorin om elasticitet. Om man antar att vätskan är komprimerbar (det vill säga att densiteten ändras med tryckförändringar), icke-viskös (det vill säga att det inte finns någon viskös avledning) och icke-flytbart medium, och dess genomsnittliga densitet och tryck förblir enhetliga i den analyserade vattendelaren, uppfyller motsvarande vågekvation. För den finita elementanalysen av den fasta strukturen, tar denna ekvation hänsyn till tryckbelastningen för vätskan som appliceras på gränsytan för den fasta strukturen vid vätske-fast gränsytan. Där U är nodförskjutningen; P är nodvätsketrycket; M är massmatrisen för strukturen; C är strukturens dämpningsmatris; K är strukturens styvhetsmatris; Q är kopplingsareamatrisen på vätske-fastämnesgränsytan; f är den fasta strukturen Kraftvektorn på toppen. För analys av fluidfinita element, baserat på variationsprincipen eller den viktade residualmetoden (dvs Galerkin-metoden), kan vågekvationen diskretiseras med standardfinita element, och slutligen kan kontrollekvationen för fluidfinita element erhållas. Denna ekvation tar hänsyn till kontinuitetskraven på vätske-fastämnesgränssnittet och energiförlusten på grund av dämpning. där E är tröghetsmomentet för fluidm  atrisen ; A är vätskans dämpningsmatris; H är vätskans styvhetsmatris; ρ är vätskans densitet; det övre högra indexet T är transponeringen av matrisen. Ekvationerna (1) och (2) ger vätske-fastämneskopplingsekvationerna, vilka kan kombineras enligt följande: fl är den strukturella kraftvektorn som verkar på vätske-fastämnesgränsytan; f2 orsakas av det initiala vågkraftsfältet (vågkraft) Kraftvektorn som verkar på vätske-fastämnesgränsytan. Eftersom förskjutningen kan betraktas som gradienten av hastighetspotentialen, kan en annan uttrycksform av kopplingsekvationen för fluid-fasta finita element motsvarande ekvation (3) erhållas genom ekvation (4).

 

2.3 Finita elementanalys av elektrisk strukturkopplingsfält

Piezoelektriska hydroakustiska givare använder piezoelektriska material, så det är viktigt att förstå hur det fungerar. Baserat på det kvasistatiska antagandet, det vill säga att det elektriska fältet måste balanseras med det elastiska förskjutningsfältet, kan den linjära konstitutiva ekvationen för piezoelektriska material erhållas. T är stressfältet; D är den elektriska förskjutningen; S är töjningsfältet; EV är det elektriska fältet; e är trycket Elektrisk kopplingskonstantmatris; εS är den dielektriska konstantmatrisen; cE är den elastiska styvhetsmatrisen för det piezoelektriska materialet. Är dämpningsmatrisen av piezoelektriska material; KUΦ är den piezoelektriska kopplingsmatrisen; KΦΦ är den dielektriska styvhetsmatrisen; F är vektorn för den totala applicerade kraften; G är den totala påförda avgiften.

 

3 Finita elementmodellering och analys

3.1 Finita element-modell av givare av Tonpilz-typ

Figur 2 visar det fysiska schemat för Tonpilz-givaren, som består av fyra delar: huvud, stjärt, spännbult och piezoelektrisk keramik. Två stycken piezoelektrisk keramik är inklämd mellan huvudet och svansen, och en spännbult placeras i mitten för att säkerställa nära kontakt mellan de olika delarna. Givarhuvudet är cylindriskt, så det har en cirkulär strålande yta. Studier har visat att de geometriska parametrarna för varje del av givaren har en direkt inverkan på dess mekaniska kvalitetsfaktorer, som kan optimeras med vissa metoder]. De detaljerade dimensionerna och specifika materialparametrarna för varje komponent i givaren i denna artikel visas separat.

 

Tabell 1 och Tabell 2. Figur 3 visar den tvådimensionella axisymmetriska finita elementmodellen och gränsvillkoren för Tonpilz-givaren. Modellen är etablerad på XY-planet, och dess symmetriaxel är längs X-axeln. Den finita elementmodellen använder fyrnodiga fyrsidiga axisymmetriska element för meshing, inklusive 193 element och 240 noder. De två piezoelektrisk undervattensakustik är placerad i motsatta polariteter, och polarisationsriktningen är längs givarens längdriktning, vilket kan förbättra givarens responsprestanda. Tre elektroder placeras på kontaktytan relaterad till piezoelektrisk keramik för excitation eller mätning. Y-riktningen begränsar den yttre cylindriska ytan av huvudet, och X-riktningen begränsar den perifera ändytan av huvudet nära den piezoelektriska keramen men inte i kontakt med elektroden. Denna begränsning återspeglar övervägandet av de faktiska gränsvillkoren för givaren Fixed for the head. Givarens kraftriktning är X-riktningen. När det fungerar kommer det att vibrera i denna riktning.

 

3.2 Modal analys av Tonpilz-givare

Tabell 3 listar de första 5 naturliga frekvenserna som erhållits från den modala analysen av Tonpilz-givaren i kortslutningstillstånd, och jämför analysresultaten för USAP och ANSYS. Figur 4 visar jämförelsen av de tre första naturliga frekvenslägena. Det kan ses att analysresultaten från USAP och ANSYS stämmer väl överens.

 

3.3 Analys av harmonisk respons av givare av Tonpilz-typ i vatten

Figur 5 visar den tvådimensionella axisymmetriska modellen av Tonpilz-givaren i vatten, som också är uppdelad av fyrsidiga axisymmetriska element med fyra noder, med 383 element och 444 noder. Tonpilz-givarens specifika struktur och gränsvillkor är desamma som de som visas i figur 3. I modellen i figur 5 är Tonpilz-givarens huvud i kontakt med framsidan av spännbulten och vattnet. Vid analys av övertonssvar ställs en sinusformad spänning med en amplitud på 1V in på mittelektroden, och de andra två elektroderna har en spänning på 0V. Analysens frekvensområde är satt till 10000Hz~ 50000Hz. Genom analysen av övertonssvar avger givaren av Tonpilz-typ spänningssvar (TVR för kort) och tryckanalysresultat i vatten som visas i figur 6. Nod 419 väljs som beräkningspunkt som ska analyseras. Analysera figur 6 för att få

Dess första ordningens resonansfrekvens är runt 19045Hz. Vid denna frekvens visas tryckfördelningen i vattnet och deformationen av Tonpilz-givaren i figuren.

 

Admittansanalys av givare av Tonpilz-typ i vatten

 

Admittans eller impedans är också en viktig karakteristisk parameter för givaren. Det är en funktion av givarens mekaniska och akustiska egenskaper och är en effektiv metod för att analysera och studera givarens prestanda. Efter analys är admittansen här ett komplext tal, uttryckt i följande form: Under analys, ställ in en spänning på 1V på mittelektroden och en spänning på 0V på de återstående två elektroderna. Efter beräkning visas analysresultaten av konduktansen och susceptansen för givaren av Tonpilz-typ i vatten i figur 8. Både konduktansen och susceptansen har toppar vid resonansfrekvensen.

 

 

4 Slutsats

Finita elementmetoden är mycket effektiv och praktisk för att analysera de akustiska parametrarna för piezoelektriska akustiska givare . Den axisymmetriska finita elementmodellen för givaren av Tonpilz-typ som etablerats i detta dokument analyseras av USAP-programmet för dynamik (inklusive harmonisk respons och modal, etc.). De erhållna resultaten beskriver rimligt de akustiska parametrarna för denna typ av akustiska undervattensgivare. Det finns fortfarande vissa brister i upprättandet och analysen av modellen, som behöver förbättras och fulländas ytterligare.