Analyse der akustischen Merkmale des piezoelektrischen Unterwasserschichtschilders

Daspiezoelektrischer Unterwasserschildist ein Unterwassererkennungsgerät, das sowohl als Treiber als auch als Sensor funktionieren kann. Die genaue Vorhersage seiner akustischen Eigenschaften in einer lauten Unterwasserumgebung ist für die Gestaltung eines robusten und langlebigen Transducers sehr wichtig. Die Finite -Elemente -Methode ist sehr effektiv und praktisch für die Analyse der verschiedenen Leistungen des Wandlers in verschiedenen Umgebungen. Es wurde ein zweidimensionales axisymmetrisches Finite-Elemente-Modell eines TONPILZ-Wandlers entwickelt, ein Programm, das auf der Finite-Elemente-Methode basiert Eigenschaften wurden erhalten. Die Ergebnisse der Programmanalyse und der ANSYS -Softwareanalyseergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung.

1. Einleitung

HydroAkustische Wandler spielen eine Schlüsselrolle in der Hydroakustik -Engineering. In den letzten Jahren haben die kontinuierliche Entwicklung neuer Wandlermaterialien und die Anwendung neuer Analysemethoden bei der Gestaltung von Wandlern mit der raschen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie den Wandler zu vielen neuen Konzepten und neuen Methoden in der Forschung und Gestaltung von Wandler gemacht . Als eine Art intelligentes Material werden piezoelektrische Materialien häufig verwendet elektromechanische Felder wie piezoelektrische Keramiktransformatoren und Sonarwandler. Daspiezoelektrischer Hydrophonwandlerist ein Unterwassererkennungsgerät, das als Treiber oder Sensor funktionieren kann. In den meisten Unterwassererkennungsanwendungen zeigen piezoelektrische Wandler eine gute Gesamtleistung: hohe Arbeitseffizienz, flexibles Design und hohe Kostenleistung. Die akustischen Parameter in einer lauten Unterwasserumgebung ist für die Gestaltung eines robusten und langlebigen Wandlers genau vorab kalkuliert. Die Finite -Elemente -Methode (abgekürzte als FEM) kann in der Engineering -Analyse häufig verwendet werden. Es kann die Leistung des Wandlers in verschiedenen Umgebungen (z. B. in der Luft oder im Wasser) analysieren. Es wird ein zweidimensionales axisymmetrisches Finite-Elemente-Modell eines Montpilz-Wandlers festgelegt, der eine modale, unter Wasser harmonische Reaktion und Zulassungsanalyse durchführen kann. Das Analyse -Tool verwendet ein Unterwassersensoranalyseprogramm, das auf der Finite -Elemente -Methode basiert (kurz USAP). Dieses Programm ist sehr praktisch für die Analyse der Parameter des im Wasser arbeitenden Wandlers, solange die erforderlichen Eingabedateien erstellt und der Analyse -Typ ausgewählt wird, kann die entsprechende Analyse durchgeführt werden.

2 Theoretische Analyse

2.1 Beschreibung der Arbeitsumgebung des Wandlers in dasWasser

Abbildung 1 zeigt die Arbeitsumgebung des Wandlers in Wasser. Der Wandler kann durch eine Kombination aus elastischen und intelligenten Materialien dargestellt werden. Ein begrenzter Wasserbereich ist rund um den Wandler enthalten, und es werden unterschiedliche Grenzen und Arbeitsbedingungen berücksichtigt. Eine unendliche Flüssigkeitsgrenze wird an der äußersten Peripherie des begrenzten Wasserbereichs festgelegt, um ihn dem realen Arbeitszustand näher zu bringen. Daher umfasst die betroffene theoretische Analyse die Kopplung zwischen Flüssigkeit und fester Struktur und der Kopplung zwischen Elektrizität und Struktur in piezoelektrischen Materialien.

2.2 Finite-Elemente-Analyse des flüssig-soliden Kopplungsfeldes

Die harmonische Reaktionsanalyse einer festen Struktur in einer Flüssigkeitsumgebung muss die Wechselwirkung zwischen der festen Struktur und der Flüssigkeit beinhalten. Unter der Annahme, dass die feste Struktur ein elastischer Körper ist, entsprechen ihre Verhaltensmerkmale der Theorie der Elastizität. Angenommen, die Flüssigkeit ist komprimierbar (dh die Dichteänderung mit Druckänderungen), nicht viskoös (dh es gibt keine viskose Dissipation) und nicht fließbar dannmEET die entsprechende Wellengleichung. Für die Finite-Elemente-Analyse der festen Struktur berücksichtigt diese Gleichung die Druckbelastung der auf die festgelegte Grenzfläche feste Struktur an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeits-Solid angewendete Flüssigkeit. Wo u ist die Knotenverschiebung; P ist der Knotenflüssigkeitsdruck; M ist die Massenmatrix der Struktur; C ist die Dämpfungsmatrix der Struktur; K ist die Steifigkeitsmatrix der Struktur; Q ist die Kupplungsfläche Matrix an der flüssigen Grenzfläche; F ist die feste Struktur der Kraftvektor oben. Für die Analyse des Finite -Elemente -Fluids, basierend auf dem Variationsprinzip oder der gewichteten Restmethode (IE Galerkin -Methode), kann die Wellengleichung durch Standard -Finite -Elemente diskretisiert werden, und schließlich kann die Kontrollgleichung des Fluidfinite -Elemente erhalten werden. Diese Gleichung berücksichtigt die Kontinuitätsanforderungen an der Flüssigkeits-Solid-Grenzfläche und den Energieverlust aufgrund der Dämpfung. Wo E der Trägheitsmoment der Flüssigkeit ist mAtrix; A ist die Dämpfungsmatrix der Flüssigkeit; H ist die Steifigkeitsmatrix der Flüssigkeit; ρ ist die Dichte der Flüssigkeit; Der obere rechte Index t ist die Transponierung der Matrix. Die Gleichungen (1) und (2) geben die flüssigen Kopplungsgleichungen an, die wie folgt kombiniert werden können: F1 ist der Strukturkraftvektor, der auf die flüssig-solide Grenzfläche wirkt; F2 wird durch die anfängliche Wellenkraft (Wellenkraft) des Feldes verursacht. Der Kraftvektor, der auf die Fluid-Solid-Grenzfläche wirkt. Da die Verschiebung als Gradient des Geschwindigkeitspotentials angesehen werden kann, kann eine andere Expressionsform der Fluid-Solid-Finite-Elemente-Kopplungsgleichung, die der Gleichung (3) entspricht, durch Gleichung (4) erhalten werden.

2.3 Finite-Elemente-Analyse des Elektrostrukturkupplungsfeldes

Piezoelektrische hydroakustische Wandler verwenden piezoelektrische Materialien. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie es funktioniert. Basierend auf der quasi-statischen Annahme, dh, muss das elektrische Feld mit dem elastischen Verschiebungsfeld ausgeglichen werden, die lineare konstitutive Gleichung für piezoelektrische Materialien kann erhalten werden. T ist das Stressfeld; D ist die elektrische Verschiebung; S ist das Dehnungsfeld; EV ist das elektrische Feld; e ist die Druckelektrische Kopplung konstante Matrix; εs ist die dielektrische konstante Matrix; CE ist die elastische Steifigkeitsmatrix des piezoelektrischen Materials. Ist die Dämpfungsmatrix von piezoelektrischen Materialien; Kuφ ist die piezoelektrische Kopplungsmatrix; Kφφ ist die dielektrische Steifigkeitsmatrix; F ist der gesamte angewendete Kraftvektor; G ist die Gesamtgebühr.

3 Modellierung und Analyse endlicher Elemente

3.1 Finite -Elemente -Modell des TONPILZ -Typs -Wandlers

Abbildung 2 zeigt das physikalische schematische Diagramm des Tonpilz -Wandlers, der aus vier Teilen besteht: Kopf, Schwanz, Spannungsschrauben und piezoelektrische Keramik. Zwei Piezoelektrik -Keramik sind zwischen Kopf und Schwanz eingeklemmt, und in der Mitte wird eine Spannungsschraube platziert, um einen engen Kontakt zwischen den verschiedenen Teilen zu gewährleisten. Der Wandlerkopf ist zylindrisch und hat also eine kreisförmige Strahlungsfläche. Studien haben gezeigt, dass die geometrischen Parameter jedes Teils des Wandlers einen direkten Einfluss auf seine mechanischen Qualitätsfaktoren haben, die mit einigen Methoden optimiert werden können. Die detaillierten Abmessungen und spezifischen Materialparameter jeder Komponente des Wandlers in diesem Artikel werden getrennt angezeigt.

Tabelle 1 und Tabelle 2. Abbildung 3 zeigt das zweidimensionale axisymmetrische Finite-Elemente-Modell und die Randbedingungen des Tonpilz-Wandlers. Das Modell ist auf der X-Y-Ebene festgelegt, und seine Symmetrieachse befindet sich entlang der X-Achse. Das Finite-Elemente-Modell verwendet viereckige viereckige axisymmetrische Elemente zum Mischen, einschließlich 193 Elementen und 240 Knoten. Die ZweiPiezoelektrische Unterwasserakustikwerden in entgegengesetzten Polaritäten platziert, und die Polarisationsrichtung liegt entlang der Längsrichtung des Wandlers, die die Reaktionsleistung des Wandlers verbessern kann. Drei Elektroden werden auf die Kontaktoberfläche in Bezug auf piezoelektrische Keramik zur Anregung oder Messung platziert. Die y-Richtung beschränkt die äußere zylindrische Oberfläche des Kopfes, und die x-Regisseurin beschränkt die periphere Endfläche des Kopfes in der Nähe der piezoelektrischen Keramik, aber nicht in Kontakt mit der Elektrode. Diese Einschränkung spiegelt die Berücksichtigung der tatsächlichen Randbedingungen des für den Kopf befestigten Wandlers wider. Die Kraftrichtung des Wandlers ist die x -Richtung. Wenn es funktioniert, vibriert es in diese Richtung.

3.2 Modale Analyse des Tonpilz -Wandlers

In Tabelle 3 sind die ersten 5 Eigenfrequenzen aufgeführt, die aus der Modalanalyse des Tonpilz-Wandlers im Kurzschlusszustand erhalten wurden, und vergleicht die Analyseergebnisse von Usap und ANSYS. Abbildung 4 zeigt den Vergleich der ersten drei Eigenfrequenzmodi. Es ist ersichtlich, dass die Analyseergebnisse von USAAP und ANSYS in guter Einigung übereinstimmen.

3.3 Harmonische Reaktionsanalyse des Wandlers vom Tonpilz-Typ im Wasser

Abbildung 5 zeigt das zweidimensionale axisymmetrische Modell des Tonpilz-Wandlers in Wasser, das auch durch 4-Knoten-viereckige axisymmetrische Elemente mit 383 Elementen und 444 Knoten geteilt wird. Die spezifische Struktur und die Randbedingungen des Tonpilz -Wandlers sind die gleichen wie in Abbildung 3 gezeigt. Im Modell in Abbildung 5 ist der Kopf des Tonpilz -Wandlers mit der Vorderseite des Spannungsschraubens und des Wassers in Kontakt. Bei der Durchführung einer harmonischen Reaktionsanalyse wird eine sinusförmige Spannung mit einer Amplitude von 1 V auf die mittlere Elektrode eingestellt, und die beiden anderen Elektroden befinden sich bei einer Spannung von 0 V. Der Frequenzbereich der Analyse ist auf 10000 Hz ~ 50000 Hz eingestellt. Durch die harmonische Reaktionsanalyse emittiert der Wandler vom Tonpilz-Typ die Spannungsantwort (kurz TVR) und die Druckanalyse führt zu Wasser, wie in Abbildung 6 gezeigt. Der Knoten 419 wird als zu analysierender Berechnungspunkt ausgewählt. Analysieren Sie Abbildung 6, um zu bekommen

Die Resonanzfrequenz erster Ordnung liegt bei 19045 Hz. Bei dieser Frequenz sind die Druckverteilung im Wasser und die Verformung des Tonpilz -Wandlers in der Abbildung dargestellt.

Zulassungsanalyse des TONPILZ -Typs -Wandlers im Wasser

Zulassung oder Impedanz ist auch ein wichtiger charakteristischer Parameter des Wandlers. Es ist eine Funktion der mechanischen und akustischen Eigenschaften des Wandlers und eine wirksame Methode zur Analyse und Untersuchung der Leistung des Wandlers. Nach der Analyse ist die Zulassung hier eine komplexe Zahl, die in der folgenden Form ausgedrückt wird: Stellen Sie während der Analyse eine Spannung von 1 V auf der mittleren Elektrode und eine Spannung von 0 V auf den verbleibenden zwei Elektroden. Nach der Berechnung sind die Analyseergebnisse der Leitfähigkeit und Anfälligkeit des Wandlers vom Tonpilz-Typ in Wasser in Abbildung 8 dargestellt. Sowohl die Leitfähigkeit als auch die Empfänglichkeit haben Peaks bei der Resonanzfrequenz.

4. Fazit

Die Finite -Elemente -Methode ist sehr effektiv und praktisch für die Analyse der akustischen Parameter vonpiezoelektrische akustische Wandler. Das in diesem Papier festgelegte axisymmetrische Finite -Elemente -Modell des TONPILZ -Typs -Wandlers wird vom USAP -Programm für Dynamik (einschließlich harmonischer Reaktion und Modal usw.) analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse beschreiben vernünftigerweise die akustischen Parameter dieser Art des Unterwasserschichtwandlers. Es gibt immer noch einige Mängel in der Etablierung und Analyse des Modells, die weiter verbessert und perfektioniert werden müssen.