Анализ акустических характеристик пьезоэлектрического подводного акустического преобразователя

Апьезоэлектрический подводной акустический преобразовательэто подводное устройство обнаружения, которое может работать как драйвер, так и датчик. Точный прогноз его акустических характеристик в шумной подводной среде очень важен для проектирования надежного и долговечного преобразователя. Метод конечных элементов очень эффективен и практичен для анализа различных характеристик преобразователя в разных средах. Была создана двумерная осесимметричная модель конечных элементов конечного датчика типа тоннпильц, была разработана программа, основанная на методе конечных элементов, и был проведен динамический анализ, включая модальный анализ и анализ гармонических ответов и т. Д., А также некоторые акустики Характеристики были получены. Результаты анализа программы и результаты анализа программного обеспечения ANSYS показывают хорошее согласие.

1. Введение

Гидроакустические преобразователи играют ключевую роль в гидроакустической инженерии. В последние годы, с быстрым развитием науки и техники, непрерывное развитие новых материалов преобразователя и применение новых методов анализа при разработке преобразователей сделало преобразователь много новых концепций и новых методов появились в исследованиях и проектировании Анкет В виде умного материала, пьезоэлектрические материалы широко используются в Электромеханические поля, такие как пьезоэлектрические керамические трансформаторы и датчики сонара. Апьезоэлектрический гидрофон датчикаявляется подводным устройством обнаружения, которое может работать в качестве драйвера или датчика. В большинстве подводных применений обнаружения пьезоэлектрические преобразователи показывают хорошую общую производительность: высокая эффективность работы, гибкий дизайн и высокая стоимость. Точная предварительная разгадание акустических параметров в шумной подводной среде очень важна для проектирования надежного и долговечного датчика. Метод конечных элементов (сокращаемый как FEM) может широко использоваться в инженерном анализе. Он может проанализировать производительность преобразователя в разных средах (например, в воздухе или в воде). Составлена ​​двумерная осесимметричная конечная модель контроля преобразователя типа Тонпильца, которая может выполнять модальный подводной гармонический ответ и анализ допуска. В инструменте анализа используется программа анализа подводного датчика, основанную на методе конечных элементов (USAP для короткометражных). Эта программа очень практична для анализа параметров преобразователя, работающего в воде, если приготовлены необходимые входные файлы и выбран тип анализа, можно сделать соответствующий анализ.

2 Теоретический анализ

2.1 Описание рабочей среды преобразователя в авода

На рисунке 1 показана рабочая среда датчика в воде. Преобразователь может быть представлен комбинацией упругих и умных материалов. Ограниченная площадь воды включена вокруг преобразователя, и рассматриваются различные границы и условия труда. Бесконечная граница жидкости установлена ​​на самой внешней периферии ограниченной области воды, чтобы сделать ее ближе к реальному рабочее состояние. Следовательно, теоретический анализ включает в себя связь между жидкостью и твердой структурой и связь между электричеством и структурой в пьезоэлектрических материалах.

2.2 Анализ конечных элементов поля муфты жидкости

Анализ гармонического ответа твердой структуры в жидкости должен включать взаимодействие между твердой структурой и жидкостью. Предполагая, что твердая структура является упругим телом, его характеристики поведения соответствуют теории эластичности. Предполагая, что жидкость сжимаемой (то есть изменяется плотность с изменением давления), не виссообразной (то есть не существует вязкого рассеяния) и непреодолимой среды, и ее средняя плотность и давление остаются равномерными в анализируемом водосборе, тогдаmEET соответствующее волновое уравнение. Для анализа конечных элементов твердой структуры это уравнение учитывает нагрузку давления жидкости, приложенной к границе сплошной структуры на границе раздела жидкости. P - узловое давление жидкости; М - массовая матрица структуры; C - демпфирующая матрица структуры; K - матрица жесткости структуры; Q-матрица площади связи на границе раздела жидкости; F - твердое структуру вектор силы сверху. Для анализа конечных элементов жидкости, основанного на вариационном принципе или взвешенном остаточном методе (то есть метод Galerkin), уравнение волны может быть дискретизировано стандартным конечным элементом, и, наконец, можно получить уравнение управления конечным элементом жидкости. Это уравнение учитывает требования к непрерывности на границе раздела жидкости и потерю энергии из-за демпфирования. Где E - момент инерции жидкости mАтрикс; А является демпфирующей матрицей жидкости; H - матрица жесткости жидкости; ρ - плотность жидкости; Верхний правый индекс t является транспонированием матрицы. Уравнения (1) и (2) дают уравнения сочетания жидкости, которые можно объединить следующим образом: F1-вектор структурной силы, действующий на границе раздела жидкости; F2 вызван поле начальной волновой силы (силы волны). Силовый вектор, действующий на границу границы жидкости. Поскольку смещение можно рассматривать как градиент потенциала скорости, другая форма экспрессии уравнения сцепления конечных элементов жидкости может быть получена через уравнение (4).

2.3 Анализ конечных элементов в области связи электрической структуры

Пьезоэлектрические гидроакустические преобразователи используют пьезоэлектрические материалы, поэтому важно понять, как это работает. Основываясь на квазистатическом предположении, то есть электрическое поле должно быть сбалансировано с полем упругого смещения, может быть получено линейное конститутивное уравнение для пьезоэлектрических материалов. T - поле стресса; D - электрическое смещение; S - поля деформации; EV - это электрическое поле; e - матрица постоянной связи электрической связи давления; εs - диэлектрическая постоянная матрица; CE - матрица упругой жесткости пьезоэлектрического материала. Является демпфирующей матрицей пьезоэлектрических материалов; Kuφ - это матрица пьезоэлектрической связи; Kφφ - это матрица диэлектрической жесткости; F - вектор общей прикладной силы; G - общая прикладная зарядка.

3 моделирование и анализ конечных элементов

3.1 Модель конечных элементов преобразователя типа Tonpilz

На рисунке 2 показана физическая схема -диаграмма преобразователя Тонпильца, который состоит из четырех частей: голова, хвоста, натяжения и пьезоэлектрической керамики. Два куска пьезоэлектрической керамики находятся в зажатых зажатых между головой и хвостом, а в центре помещают болт натяжения, чтобы обеспечить тесный контакт между различными частями. Голова преобразователя цилиндрическая, поэтому она имеет круглую излучающую поверхность. Исследования показали, что геометрические параметры каждой части преобразователя оказывают прямое влияние на его механические коэффициенты качества, которые могут быть оптимизированы некоторыми методами]. Подробные размеры и конкретные параметры материала каждого компонента преобразователя в этой статье показаны отдельно.

Таблица 1 и таблица 2. На рисунке 3 показана двумерная осесимметричная модель конечных элементов и граничные условия преобразователя Тонпильца. Модель установлена ​​на плоскости X-Y, а ее ось симметрии находится вдоль оси x. В модели конечных элементов используются четырехмоз-четырехугольные осесимметричные элементы четырехсторонней, в том числе 193 элемента и 240 узлов. ДваПьезоэлектрическая подводная акустикапомещаются в противоположные полярности, а направление поляризации находится вдоль продольного направления преобразователя, что может улучшить характеристики отклика преобразователя. Три электрода помещаются на контактную поверхность, связанную с пьезоэлектрической керамикой для возбуждения или измерения. Y-направление ограничивает внешнюю цилиндрическую поверхность головы, а направление X ограничивает периферическую конечную поверхность головки вблизи пьезоэлектрической керамики, но не в контакте с электродом. Это ограничение отражает рассмотрение фактических граничных условий преобразователя, фиксированного для головы. Направление силы преобразователя - это направление X. Когда он работает, он будет вибрировать в этом направлении.

3.2 Модальный анализ преобразователя Тонпильца

В таблице 3 перечислены первые 5 естественных частот, полученных из модального анализа преобразователя Тонпильца в состоянии короткого замыкания, и сравнивает результаты анализа USAP и ANSYS. На рисунке 4 показано сравнение первых трех природных частотных режимов. Можно видеть, что результаты анализа USAP и ANSYS находятся в хорошем согласии.

3.3 Анализ гармонического ответа преобразователя типа Тонпильца в воде

На рисунке 5 показана двумерная осесимметричная модель преобразователя Тонпильца в воде, которая также делится на 4-узловые четырехугольные осесимметричные элементы с 383 элементами и 444 узлами. Конкретная структура и граничные условия преобразователя Тонпильца такие же, как и показанные на рисунке 3. На модели на рисунке 5 голова преобразователя Тонпильца находится в контакте с передней поверхностью болта натяжения и воды. При выполнении анализа гармонического отклика на среднем электроде установлено синусоидальное напряжение с амплитудой 1 В, а два других электрода находятся при напряжении 0 В. Частотный диапазон анализа устанавливается на 10000 Гц ~ 50000 Гц. Благодаря анализу гармонического отклика преобразователь типа Тонпильца испускает отклик напряжения (TVR для короткого), а анализ давления приводит к воде, как показано на рисунке 6. Узел 419 выбирается в качестве анализа точки расчета. Проанализировать рисунок 6, чтобы получить

Его резонансная частота первого порядка составляет около 19045 Гц. На этой частоте распределение давления в воде и деформация преобразователя Тонпильца показаны на рисунке.

Анализ допуска преобразователя типа Tonpilz в воде

Допуск или импеданс также является важным характерным параметром преобразователя. Это функция механических и акустических характеристик преобразователя и является эффективным методом для анализа и изучения эффективности преобразователя. После анализа допуск здесь представляет собой комплексное число, выраженное в следующей форме: во время анализа установите напряжение 1 В на средний электрод и напряжение 0 В на остальные два электрода. После расчета результаты анализа проводимости и восприятия преобразователя типа Тонпильца в воде показаны на рисунке 8. Проводимость и восприятие имеют пики на частоте резонанса.

4. Вывод

Метод конечных элементов очень эффективен и практичен для анализа акустических параметровпьезоэлектрические акустические преобразователиАнкет Асесимметричная модель конечных элементов преобразователя типа Tonpilz, установленную в этой статье, анализируется программой USAP для динамики (включая гармоническую реакцию и модальный и т. Д.). Результаты, полученные разумно, описывают акустические параметры этого типа подводного акустического преобразователя. В создании и анализе модели все еще есть некоторые недостатки, которые необходимо улучшить и усовершенствовать.