Analyse des caractéristiques acoustiques du transducteur acoustique sous-marine piézoélectrique

Latransducteur acoustique sous-marin piézoélectriqueest un dispositif de détection sous-marine qui peut fonctionner à la fois comme pilote et capteur. Une prédiction précise de ses caractéristiques acoustiques dans un environnement sous-marin bruyant est très importante pour la conception d'un transducteur robuste et durable. La méthode d'éléments finis est très efficace et pratique pour analyser les différentes performances du transducteur dans différents environnements. Un modèle à éléments finis axisymétrique bidimensionnelle d'un transducteur de type Tonpilz a été établi, un programme basé sur la méthode d'éléments finis a été conçu, et une analyse dynamique a été effectuée sur elle, y compris une analyse modale et une analyse de réponse harmonique, etc., et une certaine acoustique Les caractéristiques ont été obtenues. Les résultats de l'analyse du programme et des résultats de l'analyse des logiciels ANSYS montrent un bon accord.

1. Introduction

Les transducteurs hydroacoustiques jouent un rôle clé dans l'ingénierie hydroacoustique. Ces dernières années, avec le développement rapide de la science et de la technologie, le développement continu de nouveaux matériaux de transducteur et l'application de nouvelles méthodes d'analyse dans la conception de transducteurs ont fait du transducteur que de nombreux nouveaux concepts et de nouvelles méthodes ont émergé dans la recherche et la conception de la conception de . En tant que type de matériau intelligent, les matériaux piézoélectriques sont largement utilisés dans champs électromécaniques, tels que les transformateurs en céramique piézoélectrique et les transducteurs de sonar. Latransducteur hydrophone piézoélectriqueest un dispositif de détection sous-marine, qui peut fonctionner comme un pilote ou un capteur. Dans la plupart des applications de détection sous-marine, les transducteurs piézoélectriques présentent de bonnes performances globales: efficacité de travail élevée, conception flexible et performances à coût élevé. Pré-calculer avec précision ses paramètres acoustiques dans un environnement sous-marin bruyant est très important pour la conception d'un transducteur robuste et durable. La méthode d'éléments finis (abrégée comme FEM) peut être largement utilisée dans l'analyse d'ingénierie. Il peut analyser les performances du transducteur dans différents environnements (comme dans l'air ou dans l'eau). Un modèle à éléments finis axisymétrique bidimensionnelle d'un transducteur de type Tonpilz est établi, qui peut effectuer une analyse modale de réponse harmonique et d'admission sous-marine. L'outil d'analyse utilise un programme d'analyse de capteurs sous-marins basé sur la méthode d'éléments finis (USAP pour faire court). Ce programme est très pratique pour analyser les paramètres du transducteur travaillant dans l'eau, tant que les fichiers d'entrée nécessaires sont préparés et que le type d'analyse est sélectionné, l'analyse correspondante peut être effectuée.

2 Analyse théorique

2.1 Description de l'environnement de travail du transducteur en lal'eau

La figure 1 montre l'environnement de travail du transducteur dans l'eau. Le transducteur peut être représenté par une combinaison de matériaux élastiques et intelligents. Une zone d'eau limitée est incluse autour du transducteur, et différentes limites et conditions de travail sont prises en compte. Une limite de liquide infini est fixée à la périphérie la plus externe de la zone d'eau limitée pour la rapprocher de l'état de travail réel. Par conséquent, l'analyse théorique impliquée comprend le couplage entre le liquide et la structure solide et le couplage entre l'électricité et la structure dans les matériaux piézoélectriques.

2.2 Analyse par éléments finis du champ de couplage fluide solide

L'analyse de réponse harmonique d'une structure solide dans un environnement fluide doit impliquer l'interaction entre la structure solide et le fluide. En supposant que la structure solide est un corps élastique, ses caractéristiques de comportement sont conformes à la théorie de l'élasticité. En supposant que le fluide est compressible (c'est-à-dire que la densité change avec les changements de pression), non visqueux (c'est-à-dire qu'il n'y a pas de dissipation visqueuse) et un milieu non flulable, et sa densité et sa pression moyennes restent uniformes dans le bassin versant analysé, alorsmEet l'équation d'onde correspondante. Pour l'analyse par éléments finis de la structure solide, cette équation considère la charge de pression du fluide appliqué à l'interface de la structure solide à l'interface fluide solide. Où est le déplacement nodal; P est la pression du fluide nodal; M est la matrice de masse de la structure; C est la matrice d'amortissement de la structure; K est la matrice de rigidité de la structure; Q est la matrice de zone de couplage sur l'interface fluide solide; F est la structure solide le vecteur de force sur le dessus. Pour l'analyse des éléments finis fluides, sur la base du principe variationnel ou de la méthode résiduelle pondérée (la méthode de Galerkin), l'équation d'onde peut être discrétisée par un élément fini standard, et enfin l'équation de contrôle des éléments finis du fluide peuvent être obtenus. Cette équation prend en compte les exigences de continuité sur l'interface fluide solide et la perte d'énergie due à l'amortissement. Où E est le moment d'inertie du liquide matrix; A est la matrice d'amortissement du liquide; H est la matrice de rigidité du liquide; ρ est la densité du fluide; L'indice supérieur droit t est la transposition de la matrice. Les équations (1) et (2) donnent les équations de couplage solides fluide-solide, qui peuvent être combinées comme suit: F1 est le vecteur de force structurelle agissant sur l'interface fluide solide; F2 est causé par le champ de force d'onde initiale (force d'onde) Le vecteur de force agissant sur l'interface fluide-solide. Étant donné que le déplacement peut être considéré comme le gradient du potentiel de vitesse, une autre forme d'expression de l'équation de couplage par éléments finis fluide-solide correspondant à l'équation (3) peut être obtenue par l'équation (4).

2.3 Analyse par éléments finis du champ de couplage électrique-structure

Les transducteurs hydroacoustiques piézoélectriques utilisent des matériaux piézoélectriques, il est donc important de comprendre comment cela fonctionne. Sur la base de l'hypothèse quasi statique, c'est-à-dire que le champ électrique doit être équilibré avec le champ de déplacement élastique, l'équation constitutive linéaire des matériaux piézoélectriques peut être obtenue. T est le champ de stress; D est le déplacement électrique; S est le champ de déformation; EV est le champ électrique; E est la matrice constante de couplage électrique de pression; εs est la matrice constante diélectrique; CE est la matrice de rigidité élastique du matériau piézoélectrique. Est la matrice d'amortissement des matériaux piézoélectriques; Kuφ est la matrice de couplage piézoélectrique; Kφφ est la matrice de rigidité diélectrique; F est le vecteur de force appliqué total; G est la charge appliquée totale.

3 Modélisation et analyse des éléments finis

3.1 Modèle d'éléments finis du transducteur de type Tonpilz

La figure 2 montre le schéma physique du transducteur Tonpilz, qui se compose de quatre parties: tête, queue, boulon de tension et céramique piézoélectrique. Deux morceaux de céramique piézoélectrique sont pris en sandwich entre la tête et la queue, et un boulon de tension est placé au centre pour assurer un contact étroit entre les différentes parties. La tête du transducteur est cylindrique, il a donc une surface rayonnante circulaire. Des études ont montré que les paramètres géométriques de chaque partie du transducteur ont un impact direct sur ses facteurs de qualité mécanique, qui peuvent être optimisés par certaines méthodes]. Les dimensions détaillées et les paramètres de matériau spécifiques de chaque composant du transducteur dans cet article sont présentés séparément.

Les tableaux 1 et le tableau 2. La figure 3 montre le modèle d'éléments finis axisymétrique bidimensionnel et les conditions aux limites du transducteur TonPilz. Le modèle est établi sur le plan X-Y, et son axe de symétrie est le long de l'axe x. Le modèle d'éléments finis utilise des éléments axisymétriques quadrilatéraux à quatre nœuds pour le maillage, y compris 193 éléments et 240 nœuds. Les deuxacoustique sous-marine piézoélectriquesont placés dans des polarités opposées, et la direction de polarisation est le long de la direction longitudinale du transducteur, ce qui peut améliorer les performances de réponse du transducteur. Trois électrodes sont placées sur la surface de contact liée à la céramique piézoélectrique pour l'excitation ou la mesure. La direction Y restreint la surface cylindrique externe de la tête, et la direction X restreint la surface d'extrémité périphérique de la tête près de la céramique piézoélectrique mais pas en contact avec l'électrode. Cette restriction reflète la considération des conditions limites réelles du transducteur fixées pour la tête. La direction de force du transducteur est la direction x. Quand cela fonctionne, il vibre dans cette direction.

3.2 Analyse modale du transducteur Tonpilz

Le tableau 3 répertorie les 5 premières fréquences naturelles obtenues à partir de l'analyse modale du transducteur Tonpilz dans l'état de court-circuit et compare les résultats de l'analyse de l'USAP et de l'ANSYS. La figure 4 montre la comparaison des trois premiers modes de fréquence naturelle. On peut voir que les résultats de l'analyse de l'USAP et de l'ANSYS sont en bon accord.

3.3 Analyse de la réponse harmonique du transducteur de type Tonpilz dans l'eau

La figure 5 montre le modèle axisymétrique bidimensionnel du transducteur TonPilz dans l'eau, qui est également divisé par des éléments axisymétriques quadrilatéraux à 4 nœuds, avec 383 éléments et 444 nœuds. La structure spécifique et les conditions aux limites du transducteur Tonpilz sont les mêmes que celles montrées dans la figure 3. Dans le modèle de la figure 5, la tête du transducteur Tonpilz est en contact avec la face avant du boulon de tension et de l'eau. Lors de l'analyse de réponse harmonique, une tension sinusoïdale avec une amplitude de 1V est réglée sur l'électrode moyenne, et les deux autres électrodes sont à une tension de 0V. La plage de fréquences de l'analyse est définie à 10000 Hz ~ 50000 Hz. Grâce à l'analyse de la réponse harmonique, le transducteur de type Tonpilz émet une réponse de tension (TVR pour court) et l'analyse de la pression entraîne l'eau comme le montre la figure 6. Le nœud 419 est sélectionné comme point de calcul à analyser. Analyser la figure 6 pour obtenir

Sa fréquence de résonance du premier ordre est vers 19045 Hz. À cette fréquence, la distribution de pression dans l'eau et la déformation du transducteur Tonpilz sont représentées sur la figure.

Analyse d'admission du transducteur de type Tonpilz dans l'eau

L'admission ou l'impédance est également un paramètre caractéristique important du transducteur. Il est fonction des caractéristiques mécaniques et acoustiques du transducteur, et est une méthode efficace pour analyser et étudier les performances du transducteur. Après analyse, l'admission ici est un nombre complexe, exprimé sous la forme suivante: pendant l'analyse, définissez une tension de 1V sur l'électrode moyenne et une tension de 0V sur les deux électrodes restantes. Après le calcul, les résultats de l'analyse de la conductance et de la sensibilité du transducteur de type Tonpilz dans l'eau sont illustrés à la figure 8. La conductance et la sensibilité ont des pics à la fréquence de résonance.

4. Conclusion

La méthode d'éléments finis est très efficace et pratique pour analyser les paramètres acoustiques deTransducteurs acoustiques piézoélectriques. Le modèle d'éléments finis axisymétriques du transducteur de type TonPilz établi dans cet article est analysé par le programme USAP pour la dynamique (y compris la réponse harmonique et modale, etc.). Les résultats obtenus décrivent raisonnablement les paramètres acoustiques de ce type de transducteur acoustique sous-marin. Il y a encore quelques lacunes dans l'établissement et l'analyse du modèle, qui doivent être encore améliorées et perfectionnées.