i dette blogindlæg diskuterer vi, hvordan ultralydssensorer fungerer, og hvordan en vibrerende piesoelektrisk disk genererer ultralydbølger. Vi har også inkluderet en interaktiv demo for at vise dig, hvordan du simulerer en ultralydssensor i OnScale ved hjælp af Finite Element Analysis. En ultralydssensor er et system, der kan udsende og modtage ultralydbølger. Det bruges generelt til at mærke afstanden til og fra et objekt. Det tilhører også familien af” transducere”, fordi det genererer ultralydbølger fra en vekslende spænding. Således omdanner den elektrisk energi til akustisk energi.
her er et eksempel på en ultralydbølgesensor:
Hvordan virker en ultralydssensor?
lad os se på “bølgegenereringsmekanismen” bag denne sensor.
princippet for denne sensor er simpelt:
- en disk, der er fremstillet af elektroelektrisk materiale, vibrerer under en bestemt spænding og genererer ultralydbølger ud af emitteren
- når disse bølger møder et objekt, kommer de tilbage til receptorsensoren
- afstanden mellem sensoren og objektet beregnes ved hjælp af den enkle relation d = (v * t)/2
Bemærk: Den Røde kommer fra det faktum, at bølgen bevæger sig frem og tilbage.
hvordan genererer en vibrerende piesoelektrisk disk ultralydbølger?
hvert materiale er lavet af elementære”krystaller”. Disse krystaller er lavet af atomer, der er arrangeret på en bestemt måde, og som har forskellige slags positive eller negative ladninger.
nogle materialer har en krystalstruktur, der er mere fornuftig for elektrisk felt end andre og vibrerer under en tidsafhængig spænding. Disse krystaller er, hvor den elektroelektriske effekt er vigtigst. I krystalkrystaller som kvarts, turmalin og Rochelles salt har krystallen en sekskantet form i begge ender. Det har tre akser, der er Optisk akse, elektrisk akse og mekanisk akse. Når der påføres et tryk eller en mekanisk kraft langs polarisationsaksen for de piesoelektriske krystaller, producerer den derefter elektriciteten.
hvordan simulerer du en ultralydssensor?
simulering af en ultralydssensor i 2D eller 3D kræver et program, der korrekt kan håndtere 2-vejs koblingen mellem spænding, mekanisk belastning og akustisk bølge. OnScale er i stand til at gøre dette ved at håndtere disse 3 slags fysik på en helt koblet måde. Den anden fordel ved OnScale er, at vores vigtigste solver er en ikke-lineær eksplicit solver. Alle de signaler, du indtaster og beregner med OnScale, er tidshistoriksignaler, hvilket betyder, at de er meget tæt på det, du faktisk kan observere på et oscilloskop turing et fysisk eksperiment. OnScale har evnen til også at beregne impedansen og frekvenssignalerne ved hjælp af Fast Fourier Transformation (FFT).
en fuldt koblet multifysikløser giver mulighed for meget hurtigere beregninger og simulering af meget større problemer. Dette bliver meget relevant, når man simulerer ultralydssensorer.
simulering af en ultralydssensor nedsænket i vand
lad os overveje en 3d-simulering af en simpel transducer nedsænket i vand. Symmetri grænsevilkår bruges til at forenkle CAD geometri og model størrelse for at reducere løse tid. Transduceren drives med en elektrisk belastning på tværs af det piesoceramiske materiale.
CAD-modellen blev oprettet i Onshape og gør det muligt at justere følgende designvariabler. Som standard tilføjes den elektroelektriske tykkelse, den elektroelektriske radius og den matchende lagtykkelse som konfigurationsvariabler for hurtig adgang gennem konfigurationspanelet i Onshape.
denne model kan hentes her
resultater
fra denne model kan vi få alle følgende outputresultater:
- elektrisk impedans
- Modusformer (harmonisk analyse) af basisdesign
- maksimalt akustisk tryk
interaktiv tutorial af simuleringsprocessen
vi har skabt en simpel interaktiv oplevelse, der giver nye OnScale brugere mulighed for at opdage, hvordan man simulerer denne ultralydssensor.
i denne interaktive demo, vil du lære:
1 – Sådan importeres en CAD – model
2 – Sådan tildeles spændingsbelastning
3-Sådan simuleres den model med OnScale på skyen
hvis du er interesseret i at følge flere af vores detaljerede tutorials, så tjek vores designer tutorials her.