Análisis de las características acústicas del transductor acústico submarino piezoeléctrico

lostransductor acústico subacuático piezoeléctricoes un dispositivo de detección submarina que puede funcionar como un controlador y un sensor. La predicción precisa de sus características acústicas en un ambiente submarino ruidoso es muy importante para el diseño de un transductor robusto y duradero. El método de elementos finitos es muy efectivo y práctico para analizar los diversos rendimientos del transductor en diferentes entornos. Se estableció un modelo de elemento finito axisimétrico bidimensional de un transductor de tipo Tonpilz, se diseñó un programa basado en el método de elementos finitos y se realizó un análisis dinámico, incluido el análisis modal y el análisis de respuesta armónica, etc., y algunas acústicas Se obtuvieron características. Los resultados del análisis del programa y los resultados del análisis de software ANSYS muestran un buen acuerdo.

1. Introducción

Los transductores hidroacústicos juegan un papel clave en la ingeniería hidroacústica. En los últimos años, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, el desarrollo continuo de nuevos materiales de transductor y la aplicación de nuevos métodos de análisis en el diseño de transductores han convertido al transductor que muchos conceptos nuevos y nuevos métodos han surgido en la investigación y el diseño de . Como una especie de material inteligente, los materiales piezoeléctricos se usan ampliamente en Campos electromecánicos, como transformadores de cerámica piezoeléctrica y transductores de sonar. lostransductor hidrófono piezoeléctricoes un dispositivo de detección submarina, que puede funcionar como un controlador o un sensor. En la mayoría de las aplicaciones de detección submarina, los transductores piezoeléctricos muestran un buen rendimiento general: alta eficiencia laboral, diseño flexible y rendimiento de alto costo. La precalculación precisa de sus parámetros acústicos en un entorno submarino ruidoso es muy importante para el diseño de un transductor robusto y duradero. El método de elementos finitos (abreviado como FEM) puede usarse ampliamente en el análisis de ingeniería. Puede analizar el rendimiento del transductor en diferentes entornos (como en el aire o en el agua). Se establece un modelo de elemento finito axisimétrico bidimensional de un transductor de tipo tonpilz, que puede realizar una respuesta armónica modal y submarina y análisis de admisión. La herramienta de análisis utiliza un programa de análisis de sensor submarino basado en el método de elementos finitos (USAP para abreviar). Este programa es muy práctico para analizar los parámetros del transductor que trabaja en el agua, siempre que se preparen los archivos de entrada necesarios y se seleccione el tipo de análisis, se puede realizar el análisis correspondiente.

2 Análisis teórico

2.1 Descripción del entorno de trabajo del transductor en laagua

La Figura 1 muestra el entorno de trabajo del transductor en el agua. El transductor se puede representar mediante una combinación de materiales elásticos e inteligentes. Se incluye un área de agua limitada alrededor del transductor, y se consideran diferentes límites y condiciones de trabajo. Se establece un límite de fluido infinito en la periferia más externa del área de agua limitada para acercarlo al estado de trabajo real. Por lo tanto, el análisis teórico involucrado incluye el acoplamiento entre fluido y estructura sólida y el acoplamiento entre electricidad y estructura en materiales piezoeléctricos.

2.2 Análisis de elementos finitos del campo de acoplamiento de fluido-sólido

El análisis de respuesta armónica de una estructura sólida en un entorno fluido debe involucrar la interacción entre la estructura sólida y el fluido. Suponiendo que la estructura sólida es un cuerpo elástico, sus características de comportamiento se ajustan a la teoría de la elasticidad. Suponiendo que el fluido es compresible (es decir, los cambios de densidad con los cambios de presión), no visco (es decir, no hay disipación viscosa) y medio no flotable, y su densidad y presión promedio permanecen uniformes en la cuenca analizada, despuésmEET la ecuación de onda correspondiente. Para el análisis de elementos finitos de la estructura sólida, esta ecuación considera la carga de presión del fluido aplicada a la interfaz de la estructura sólida en la interfaz de fluido-sólido. Cuando U está el desplazamiento nodal; P es la presión del fluido nodal; M es la matriz de masa de la estructura; C es la matriz de amortiguación de la estructura; K es la matriz de rigidez de la estructura; Q es la matriz del área de acoplamiento en la interfaz fluido-sólido; F es la estructura sólida El vector de fuerza en la parte superior. Para el análisis de elementos finitos de fluido, basado en el principio variacional o el método residual ponderado (es decir, el método de Galerkin), la ecuación de onda se puede discretizar por un elemento finito estándar, y finalmente se puede obtener la ecuación de control de elementos finitos de fluido. Esta ecuación tiene en cuenta los requisitos de continuidad en la interfaz de fluido-sólido y la pérdida de energía debido a la amortiguación. Donde e es el momento de inercia del fluido mAtrix; A es la matriz de amortiguación del fluido; H es la matriz de rigidez del fluido; ρ es la densidad del fluido; El índice superior derecho T es la transposición de la matriz. Las ecuaciones (1) y (2) dan las ecuaciones de acoplamiento de fluido-sólido, que se pueden combinar de la siguiente manera: F1 es el vector de fuerza estructural que actúa sobre la interfaz fluido-sólido; F2 es causado por el campo de fuerza de onda inicial (fuerza de onda) El vector de fuerza que actúa sobre la interfaz fluido-sólido. Dado que el desplazamiento puede considerarse como el gradiente del potencial de velocidad, se puede obtener otra forma de expresión de la ecuación de acoplamiento de elementos finitos de fluido-sólido correspondiente a la ecuación (3) a través de la ecuación (4).

2.3 Análisis de elementos finitos del campo de acoplamiento de estructura eléctrica

Los transductores hidroacústicos piezoeléctricos utilizan materiales piezoeléctricos, por lo que es importante comprender cómo funciona. Según la suposición cuasiestática, es decir, el campo eléctrico debe equilibrarse con el campo de desplazamiento elástico, se puede obtener la ecuación constitutiva lineal para materiales piezoeléctricos. T es el campo de estrés; D es el desplazamiento eléctrico; S es el campo de deformación; EV es el campo eléctrico; E es la matriz constante de acoplamiento eléctrico de presión; εs es la matriz constante dieléctrica; CE es la matriz de rigidez elástica del material piezoeléctrico. Es la matriz de amortiguación de los materiales piezoeléctricos; Kuφ es la matriz de acoplamiento piezoeléctrico; Kφφ es la matriz de rigidez dieléctrica; F es el vector de fuerza aplicado total; G es la carga total aplicada.

3 Modelado y análisis de elementos finitos

3.1 Modelo de elementos finitos de transductor de tipo tonpilz

La Figura 2 muestra el diagrama esquemático físico del transductor tonpilz, que consta de cuatro partes: cabeza, cola, perno de tensión y cerámica piezoeléctrica. Se intercambian dos piezas de cerámica piezoeléctrica entre la cabeza y la cola, y se coloca un perno de tensión en el centro para garantizar un contacto cercano entre las diversas partes. La cabeza del transductor es cilíndrica, por lo que tiene una superficie radiante circular. Los estudios han demostrado que los parámetros geométricos de cada parte del transductor tienen un impacto directo en sus factores de calidad mecánica, que pueden optimizarse por algunos métodos]. Las dimensiones detalladas y los parámetros de material específicos de cada componente del transductor en este artículo se muestran por separado.

Tabla 1 y Tabla 2. La Figura 3 muestra el modelo de elementos finitos axisimétricos bidimensionales y las condiciones de contorno del transductor de tonpilz. El modelo se establece en el plano X-Y, y su eje de simetría está a lo largo del eje X. El modelo de elementos finitos utiliza elementos axisimétricos cuadrilaterales de cuatro nodos para malla, incluidos 193 elementos y 240 nodos. Los dosacústica submarina piezoeléctricase colocan en polaridades opuestas, y la dirección de polarización es a lo largo de la dirección longitudinal del transductor, lo que puede mejorar el rendimiento de respuesta del transductor. Se colocan tres electrodos en la superficie de contacto relacionada con la cerámica piezoeléctrica para la excitación o la medición. La dirección Y restringe la superficie cilíndrica externa de la cabeza, y la dirección X restringe la superficie del extremo periférico de la cabeza cerca de la cerámica piezoeléctrica pero no en contacto con el electrodo. Esta restricción refleja la consideración de las condiciones límite reales del transductor fijo para la cabeza. La dirección de fuerza del transductor es la dirección X. Cuando funciona, vibrará en esta dirección.

3.2 Análisis modal del transductor Tonpilz

La Tabla 3 enumera las primeras 5 frecuencias naturales obtenidas del análisis modal del transductor tonpilz en el estado de cortocircuito, y compara los resultados del análisis de USAP y ANSYS. La Figura 4 muestra la comparación de los primeros tres modos de frecuencia natural. Se puede ver que los resultados de análisis de USAP y ANSY están en buen acuerdo.

3.3 Análisis de respuesta armónica del transductor de tipo Tonpilz en agua

La Figura 5 muestra el modelo axisimétrico bidimensional del transductor de tonpilz en agua, que también se divide por elementos axisimétricos cuadrilaterales de 4 nodos, con 383 elementos y 444 nodos. La estructura específica y las condiciones de contorno del transductor tonpilz son los mismos que los que se muestran en la Figura 3. En el modelo de la Figura 5, la cabeza del transductor de tonpilz está en contacto con la cara delantera del perno de tensión y el agua. Al realizar el análisis de respuesta armónica, se establece un voltaje sinusoidal con una amplitud de 1V en el electrodo medio, y los otros dos electrodos están a un voltaje de 0V. El rango de frecuencia del análisis se establece en 10000Hz ~ 50000Hz. A través del análisis de respuesta armónica, el transductor de tipo Tonpilz emite una respuesta de voltaje (TVR para corta) y los resultados del análisis de presión en el agua como se muestra en la Figura 6. El nodo 419 se selecciona como el punto de cálculo a analizar. Analizar la Figura 6 para obtener

Su frecuencia de resonancia de primer orden es de alrededor de 19045Hz. A esta frecuencia, la distribución de presión en el agua y la deformación del transductor tonpilz se muestran en la figura.

Análisis de admisión del transductor tipo Tonpilz en agua

La admisión o la impedancia también es un parámetro característico importante del transductor. Es una función de las características mecánicas y acústicas del transductor, y es un método efectivo para analizar y estudiar el rendimiento del transductor. Después del análisis, la admisión aquí es un número complejo, expresado en la siguiente forma: durante el análisis, establezca un voltaje de 1V en el electrodo medio y un voltaje de 0V en los dos electrodos restantes. Después del cálculo, los resultados del análisis de la conductancia y la susceptancia del transductor de tipo Tonpilz en el agua se muestran en la Figura 8. Tanto la conductancia como la susceptancia tienen picos en la frecuencia de resonancia.

4. Conclusión

El método de elementos finitos es muy efectivo y práctico para analizar los parámetros acústicos detransductores acústicos piezoeléctricos. El modelo de elemento finito axisimétrico del transductor de tipo tonpilz establecido en este documento es analizado por el programa USAP para la dinámica (incluida la respuesta armónica y el modal, etc.). Los resultados obtenidos describen razonablemente los parámetros acústicos de este tipo de transductor acústico submarino. Todavía hay algunas deficiencias en el establecimiento y análisis del modelo, que deben mejorarse y perfeccionarse aún más.