Número Browse:0 Autor:editor do site Publicar Time: 2021-10-14 Origem:alimentado
otransdutor acústico piezoelétricoé um dispositivo de detecção subaquático que pode funcionar como driver e sensor. A previsão precisa de suas características acústicas em um ambiente subaquático barulhento é muito importante para o design de um transdutor robusto e durável. O método do elemento finito é muito eficaz e prático para analisar as várias performances do transdutor em diferentes ambientes. Foi estabelecido um modelo de elemento finito axissimétrico bidimensional de um transdutor do tipo tonpilz, um programa baseado no método do elemento finito foi projetado e a análise dinâmica foi realizada, incluindo análise modal e análise de resposta harmônica, etc., e algumas acústicas acústicas As características foram obtidas. Os resultados da análise do programa e dos resultados da análise de software ANSYS mostram um bom acordo.
1. Introdução
Os transdutores hidroacústicos desempenham um papel fundamental na engenharia hidroacústica. Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, o desenvolvimento contínuo de novos materiais de transdutor e a aplicação de novos métodos de análise no design de transdutores fizeram do transdutor muitos novos conceitos e novos métodos surgiram na pesquisa e design de . Como uma espécie de material inteligente, os materiais piezoelétricos são amplamente utilizados em Campos eletromecânicos, como transformadores de cerâmica piezoelétricos e transdutores de sonar. oTransdutor de hidrofone piezoelétricoé um dispositivo de detecção subaquático, que pode funcionar como driver ou sensor. Na maioria das aplicações de detecção subaquática, os transdutores piezoelétricos mostram bom desempenho geral: alta eficiência de trabalho, design flexível e desempenho de alto custo. A pré-calculação com precisão de seus parâmetros acústicos em um ambiente subaquático barulhento é muito importante para o design de um transdutor robusto e durável. O método do elemento finito (abreviado como FEM) pode ser amplamente utilizado na análise de engenharia. Ele pode analisar o desempenho do transdutor em diferentes ambientes (como no ar ou na água). É estabelecido um modelo de elemento finito axissimétrico bidimensional de um transdutor do tipo tonpilz, que pode realizar a resposta harmônica subaquática modal e a análise de admissão. A ferramenta de análise usa um programa de análise de sensores subaquáticos com base no método de elemento finito (USAP para abreviação). Este programa é muito prático para analisar os parâmetros do transdutor que trabalha na água, desde que os arquivos de entrada necessários sejam preparados e o tipo de análise seja selecionado, a análise correspondente pode ser feita.
2 Análise teórica
2.1 Descrição do ambiente de trabalho do transdutor em aagua
A Figura 1 mostra o ambiente de trabalho do transdutor na água. O transdutor pode ser representado por uma combinação de materiais elásticos e inteligentes. Uma área de água limitada é incluída em torno do transdutor e diferentes limites e condições de trabalho são considerados. Um limite de fluido infinito é definido na periferia mais externa da área de água limitada para aproximá -lo do estado de trabalho real. Portanto, a análise teórica envolvida inclui o acoplamento entre a estrutura fluida e sólida e o acoplamento entre eletricidade e estrutura em materiais piezoelétricos.
2.2 Análise de elementos finitos do campo de acoplamento fluido-sólido
A análise de resposta harmônica de uma estrutura sólida em um ambiente fluido deve envolver a interação entre a estrutura sólida e o fluido. Supondo que a estrutura sólida seja um corpo elástico, suas características de comportamento estão em conformidade com a teoria da elasticidade. Supondo que o fluido seja compressível (ou seja, a densidade muda com mudanças de pressão), não vertiginosa (ou seja, não há dissipação viscosa) e meio não flutuável, e sua densidade e pressão média permanecem uniformes na bacia analisada, entãomEET A equação de onda correspondente. Para a análise de elementos finitos da estrutura sólida, essa equação considera a carga de pressão do fluido aplicada à interface da estrutura sólida na interface fluida-sólida. Onde u é o deslocamento nodal; P é a pressão do líquido nodal; M é a matriz de massa da estrutura; C é a matriz de amortecimento da estrutura; K é a matriz de rigidez da estrutura; Q é a matriz da área de acoplamento na interface fluido-sólido; f é a estrutura sólida que o vetor de força no topo. Para análise de elementos finitos de fluido, com base no princípio variacional ou no método residual ponderado (isto é, o método Galerkin), a equação da onda pode ser discretizada pelo elemento finito padrão e, finalmente, a equação de controle de elementos finitos fluido pode ser obtida. Essa equação leva em consideração os requisitos de continuidade na interface fluido-sólido e na perda de energia devido ao amortecimento. Onde E é o momento de inércia do fluido matrix; A é a matriz de amortecimento do fluido; H é a matriz de rigidez do fluido; ρ é a densidade do fluido; O índice superior direito t é a transposição da matriz. As equações (1) e (2) fornecem as equações de acoplamento fluido-sólidas, que podem ser combinadas da seguinte forma: F1 é o vetor de força estrutural que atua na interface fluido-sólido; F2 é causado pelo campo inicial da força de onda (força de onda) O vetor de força que atua na interface fluido-sólido. Como o deslocamento pode ser considerado como o gradiente do potencial de velocidade, outra forma de expressão da equação de acoplamento de elementos finitos do fluido-sólido correspondente à equação (3) pode ser obtida através da equação (4).
2.3 Análise de elementos finitos do campo de acoplamento de estrutura elétrica
Os transdutores hidroacústicos piezoelétricos usam materiais piezoelétricos, por isso é importante entender como funciona. Com base na suposição quase estática, ou seja, o campo elétrico deve ser equilibrado com o campo de deslocamento elástico, a equação constitutiva linear para materiais piezoelétricos pode ser obtida. T é o campo de estresse; D é o deslocamento elétrico; S é o campo de tensão; EV é o campo elétrico; E é a matriz constante de acoplamento elétrico de pressão; εs é a matriz constante dielétrica; CE é a matriz de rigidez elástica do material piezoelétrico. É a matriz de amortecimento de materiais piezoelétricos; Kuφ é a matriz de acoplamento piezoelétrico; Kφ é a matriz de rigidez dielétrica; F é o vetor de força aplicado total; G é a carga aplicada total.
3 Modelagem e análise de elementos finitos
3.1 Modelo de elemento finito do transdutor TonPilz Type
A Figura 2 mostra o diagrama esquemático físico do transdutor Tonpilz, que consiste em quatro partes: cabeça, cauda, parafuso de tensão e cerâmica piezoelétrica. Duas peças de cerâmica piezoelétrica são imprensadas entre a cabeça e a cauda, e um parafuso de tensão é colocado no centro para garantir um contato próximo entre as várias partes. A cabeça do transdutor é cilíndrica, por isso possui uma superfície de radiação circular. Estudos mostraram que os parâmetros geométricos de cada parte do transdutor têm um impacto direto em seus fatores de qualidade mecânica, que podem ser otimizados por alguns métodos]. As dimensões detalhadas e os parâmetros específicos do material de cada componente do transdutor neste artigo são mostrados separadamente.
Tabela 1 e Tabela 2. A Figura 3 mostra o modelo bidimensional do elemento finito axissimétrico e as condições de contorno do transdutor Tonpilz. O modelo é estabelecido no plano X-Y e seu eixo de simetria está ao longo do eixo X. O modelo de elemento finito usa elementos axissimétricos quadrilástricos quadrilásticos de quatro nós para malha, incluindo 193 elementos e 240 nós. Os doisacústica subaquática piezoelétricasão colocados em polaridades opostas, e a direção da polarização é ao longo da direção longitudinal do transdutor, o que pode melhorar o desempenho da resposta do transdutor. Três eletrodos são colocados na superfície de contato relacionada à cerâmica piezoelétrica para excitação ou medição. A direção y restringe a superfície cilíndrica externa da cabeça, e a direção x restringe a superfície final periférica da cabeça próxima à cerâmica piezoelétrica, mas não em contato com o eletrodo. Essa restrição reflete a consideração das condições de contorno reais do transdutor fixas para a cabeça. A direção da força do transdutor é a direção x. Quando funcionar, ele vibrará nessa direção.
3.2 Análise modal do transdutor Tonpilz
A Tabela 3 lista as 5 primeiras frequências naturais obtidas a partir da análise modal do transdutor Tonpilz no estado de curto-circuito e compara os resultados da análise do USAP e ANSYS. A Figura 4 mostra a comparação dos três primeiros modos de frequência natural. Pode -se observar que os resultados da análise do USAP e do ANSYS estão de acordo.
3.3 Análise de resposta harmônica do transdutor do tipo tonpilz na água
A Figura 5 mostra o modelo axissimétrico bidimensional do transdutor Tonpilz na água, que também é dividido por elementos axissimétricos quadrilástricos quadrilaterais de 4 nós, com 383 elementos e 444 nós. A estrutura específica e as condições de contorno do transdutor Tonpilz são as mesmas que as mostradas na Figura 3. No modelo na Figura 5, a cabeça do transdutor Tonpilz está em contato com a face frontal do parafuso de tensão e da água. Ao realizar a análise de resposta harmônica, uma tensão sinusoidal com uma amplitude de 1V é ajustada no eletrodo médio e os outros dois eletrodos estão a uma tensão de 0V. A faixa de frequência da análise é definida como 10000Hz ~ 50000Hz. Através da análise de resposta harmônica, o transdutor do tipo tonpilz emite a resposta de tensão (TVR para curta duração) e a análise de pressão resulta em água, como mostrado na Figura 6. O nó 419 é selecionado como o ponto de cálculo a ser analisado. Analise a Figura 6 para obter
Sua frequência de ressonância de primeira ordem é por volta de 19045Hz. Nesta frequência, a distribuição de pressão na água e a deformação do transdutor Tonpilz são mostradas na figura.
Análise de admissão do transdutor do tipo tonpilz na água
A admissão ou impedância também é um parâmetro característico importante do transdutor. É uma função das características mecânicas e acústicas do transdutor e é um método eficaz para analisar e estudar o desempenho do transdutor. Após a análise, a admissão aqui é um número complexo, expresso na seguinte forma: durante a análise, defina uma tensão de 1V no eletrodo médio e uma tensão de 0V nos dois eletrodos restantes. Após o cálculo, os resultados da análise da condutância e suscetância do transdutor do tipo tonpilz na água são mostrados na Figura 8. Tanto a condutância quanto a suscetância têm picos na frequência de ressonância.
4. Conclusão
O método do elemento finito é muito eficaz e prático para analisar os parâmetros acústicos deTransdutores acústicos piezoelétricos. O modelo de elemento finito axissimétrico do transdutor do tipo tonpilz estabelecido neste artigo é analisado pelo programa USAP para dinâmica (incluindo resposta harmônica e modal etc.). Os resultados obtidos descrevem razoavelmente os parâmetros acústicos desse tipo de transdutor acústico subaquático. Ainda existem algumas deficiências no estabelecimento e análise do modelo, que precisam ser melhoradas e aperfeiçoadas.
