Аналіз акустичних характеристик п'єзоелектричного підводного акустичного перетворювача

Theп'єзоелектричний підводний акустичний перетворювач - це підводний пристрій виявлення, який може працювати як драйвер, так і як датчик. Точне передбачення його акустичних характеристик у шумному підводному середовищі є дуже важливим для конструкції міцного та довговічного перетворювача. Метод скінченних елементів є дуже ефективним і практичним для аналізу різних характеристик перетворювача в різних середовищах. Було створено двовимірну осесиметричну кінцево-елементну модель перетворювача типу Тонпілца, розроблено програму на основі методу кінцевих елементів і виконано динамічний аналіз, включаючи модальний аналіз та аналіз гармонійного відгуку тощо, а також отримано деякі акустичні характеристики. Результати програмного аналізу та результати аналізу програмного забезпечення ANSYS показують хорошу збіг.

 

 

1 Вступ

Гідроакустичні перетворювачі відіграють ключову роль у гідроакустиці. В останні роки, зі швидким розвитком науки і техніки, безперервний розвиток нових матеріалів перетворювачів і застосування нових методів аналізу в конструкції перетворювачів зробили перетворювач Багато нових концепцій і нових методів з'явилися в дослідженнях і проектуванні. Як свого роду розумний матеріал, п’єзоелектричні матеріали широко використовуються в  електромеханічних областях, таких як п’єзоелектричні керамічні трансформатори та гідролокаційні перетворювачі. Theп'єзоелектричний гідрофонний перетворювач - це підводний пристрій виявлення, який може працювати як драйвер або датчик. У більшості програм підводного виявлення п’єзоелектричні перетворювачі демонструють хороші загальні характеристики: висока ефективність роботи, гнучкий дизайн і висока вартість. Точний попередній розрахунок його акустичних параметрів у шумному підводному середовищі дуже важливий для конструкції надійного та довговічного перетворювача. Метод скінченних елементів (скорочено FEM) може бути широко використаний в інженерному аналізі. Він може аналізувати продуктивність перетворювача в різних середовищах (наприклад, у повітрі або у воді). створено двовимірну осесиметричну кінцево-елементну модель перетворювача типу Тонпілца, яка може виконувати модальний, підводний гармонічний відгук і аналіз пропускної здатності. Інструмент аналізу використовує програму аналізу підводних датчиків на основі методу кінцевих елементів (скорочено USAP). Ця програма дуже практична для аналізу параметрів перетворювача, що працює у воді, оскільки необхідні вхідні файли підготовлені та тип аналізу вибрано, можна зробити відповідний аналіз.

 

2 Теоретичний аналіз

 

2.1 Опис робочого середовища перетворювача  воді у

На малюнку 1 показано робоче середовище перетворювача у воді. Перетворювач може бути представлений комбінацією еластичних і розумних матеріалів. Навколо перетворювача включено обмежену акваторію, враховуються різні межі та умови роботи. Нескінченна межа рідини встановлюється на крайній периферії обмеженої акваторії, щоб наблизити її до реального робочого стану. Таким чином, теоретичний аналіз включає зв’язок між рідиною та твердою структурою та зв’язок між електрикою та структурою в п’єзоелектричних матеріалах.

 

2.2 Скінченно-елементний аналіз поля зв'язку рідина-тверде тіло

Аналіз гармонійного відгуку твердої структури в рідкому середовищі повинен включати взаємодію між твердою структурою та рідиною. Припускаючи, що тверда конструкція є пружним тілом, характеристики її поведінки відповідають теорії пружності. Припускаючи, що рідина є стисливою (тобто щільність змінюється зі змінами тиску), нев’язкою (тобто немає в’язкої диссипації) і нетекучою середовищем, а її середня щільність і тиск залишаються однорідними в досліджуваному водозборі, тоді відповідає відповідне хвильове рівняння. Для кінцево-елементного аналізу твердої структури це рівняння враховує навантаження тиску рідини, прикладене до поверхні розділу твердої структури на межі розділу рідина-тверде тіло. Де U — вузлове зміщення; Р - вузловий тиск рідини; M – матриця мас конструкції; C – матриця демпфування конструкції; K – матриця жорсткості конструкції; Q - матриця зони зв'язку на межі рідина-тверде тіло; f — тверда структура. Вектор сили зверху. Для аналізу рідини кінцевими елементами, заснованого на варіаційному принципі або методі зважених залишків (тобто метод Галеркіна), хвильове рівняння можна дискретизувати стандартним кінцевим елементом, і, нарешті, можна отримати рівняння керування рідиною кінцевими елементами. Це рівняння враховує вимоги безперервності на поверхні розділу рідина-тверде тіло та втрати енергії через затухання. Де Е - момент інерції рідини  m матриці; A - матриця демпфування рідини; H - матриця жорсткості рідини; ρ – густина рідини; верхній правий індекс T є транспонуванням матриці. Рівняння (1) і (2) дають рівняння зв’язку рідина-тверде тіло, які можна об’єднати наступним чином: f1 – вектор структурної сили, що діє на поверхню розділу рідина-тверде тіло; f2 викликано полем початкової сили хвилі (сила хвилі). Вектор сили, що діє на поверхню рідина-тверде тіло. Оскільки переміщення можна розглядати як градієнт потенціалу швидкості, через рівняння (4) можна отримати іншу форму вираження рівняння зв’язку рідина-тверде тіло, що відповідає рівнянню (3).

 

2.3 Скінченно-елементний аналіз поля зв'язку електричної структури

П’єзоелектричні гідроакустичні перетворювачі використовують п’єзоелектричні матеріали, тому важливо розуміти, як це працює. На основі квазістатичного припущення, тобто електричне поле має бути збалансоване полем пружного зміщення, можна отримати лінійне складове рівняння для п’єзоелектричних матеріалів. Т – поле напружень; D – електричне зміщення; S – поле деформацій; EV – напруженість електричного поля; e – матриця констант електричного зв’язку тиску; εS – матриця діелектричної проникності; cE — матриця пружної жорсткості п’єзоелектричного матеріалу. Є демпфуючою матрицею п'єзоелектричних матеріалів; KUΦ – матриця п’єзоелектричного зв’язку; KΦΦ – матриця діелектричної жорсткості; F – повний вектор прикладеної сили; G - загальний прикладений заряд.

 

3 Скінченно-елементне моделювання та аналіз

3.1 Скінченно-елементна модель перетворювача типу Тонпілца

На малюнку 2 показана фізична принципова схема перетворювача Tonpilz, який складається з чотирьох частин: головки, хвоста, натяжного болта та п’єзоелектричної кераміки. Два шматки п’єзоелектричної кераміки затиснуті між головною та хвостовою частиною, а в центрі розміщено натяжний болт для забезпечення тісного контакту між різними частинами. Головка перетворювача циліндрична, тому має круглу випромінювальну поверхню. Дослідження показали, що геометричні параметри кожної частини перетворювача безпосередньо впливають на його механічні показники якості, які можна оптимізувати за допомогою деяких методів]. Детальні розміри та конкретні параметри матеріалу кожного компонента перетворювача в цій статті наведено окремо.

 

Таблиця 1 і таблиця 2. На малюнку 3 показано двовимірну осесиметричну модель кінцевих елементів і граничні умови перетворювача Тонпілца. Модель встановлена ​​на площині XY, а її вісь симетрії розташована вздовж осі X. Скінченно-елементна модель використовує чотиривузлові чотирикутні осесиметричні елементи для сітки, включаючи 193 елементи та 240 вузлів. Два п'єзоелектрична підводна акустика розміщується в протилежних полярностях, а напрямок поляризації вздовж поздовжнього напрямку перетворювача, що може покращити характеристики відгуку перетворювача. Три електроди розміщуються на контактній поверхні, пов'язаній з п'єзоелектричною керамікою, для збудження або вимірювання. Y-напрямок обмежує зовнішню циліндричну поверхню головки, а X-напрямок обмежує периферійну торцеву поверхню головки близько до п’єзоелектричної кераміки, але не в контакті з електродом. Це обмеження відображає розгляд фактичних граничних умов датчика, закріпленого на голові. Напрямок сили перетворювача є напрямком X. Коли він працює, він буде вібрувати в цьому напрямку.

 

3.2 Модальний аналіз перетворювача Tonpilz

У таблиці 3 наведено перші 5 власних частот, отриманих за допомогою модального аналізу перетворювача Tonpilz у стані короткого замикання, і порівняно результати аналізу USAP і ANSYS. На рисунку 4 показано порівняння перших трьох режимів власної частоти. Можна побачити, що результати аналізу USAP і ANSYS добре збігаються.

 

3.3 Аналіз гармонійного відгуку перетворювача типу Tonpilz у воді

На рисунку 5 показана двовимірна осесиметрична модель перетворювача Tonpilz у воді, яка також розділена чотирикутними осесиметричними елементами з 4 вузлами, з 383 елементами та 444 вузлами. Специфічна структура та граничні умови перетворювача Tonpilz такі ж, як показано на малюнку 3. У моделі на малюнку 5 головка перетворювача Tonpilz контактує з передньою поверхнею натяжного болта та водою. Під час аналізу гармонійного відгуку на середньому електроді встановлюється синусоїдальна напруга з амплітудою 1 В, а на інших двох електродах напруга 0 В. Частотний діапазон аналізу встановлено на 10000 Гц ~ 50000 Гц. Завдяки аналізу гармонійного відгуку перетворювач типу Tonpilz випромінює характеристику напруги (скорочено TVR) і результати аналізу тиску у воді, як показано на малюнку 6. Вузол 419 вибирається як точка розрахунку для аналізу. Проаналізуйте малюнок 6, щоб отримати

Його резонансна частота першого порядку становить близько 19045 Гц. На цій частоті розподіл тиску у воді та деформація перетворювача Тонпілца показані на малюнку.

 

Аналіз пропускної здатності перетворювача типу Tonpilz у воді

 

Адмітанс або імпеданс також є важливим характеристичним параметром перетворювача. Це функція механічних і акустичних характеристик перетворювача, і це ефективний метод для аналізу та вивчення продуктивності перетворювача. Після аналізу адмиттанс тут є комплексним числом, вираженим у такій формі: Під час аналізу встановіть напругу 1 В на середньому електроді та напругу 0 В на інших двох електродах. Після розрахунку результати аналізу електропровідності та приймальності датчика типу Тонпілца у воді показані на рисунку 8. Як електропровідність, так і магнітна чутливість мають піки на резонансній частоті.

 

 

4 Висновок

Метод скінченних елементів є дуже ефективним і практичним для аналізу акустичних параметрів п'єзоелектричні акустичні перетворювачі . Осесиметрична скінченно-елементна модель перетворювача типу Tonpilz, створена в цій статті, аналізується програмою USAP на динаміку (включаючи гармонічну характеристику та модальність тощо). Отримані результати достовірно описують акустичні параметри цього типу підводного акустичного перетворювача. Існують деякі недоліки у створенні та аналізі моделі, які потребують подальшого вдосконалення та вдосконалення.