In diesem Blogbeitrag diskutieren wir, wie Ultraschallsensoren funktionieren und wie eine vibrierende piezoelektrische Scheibe Ultraschallwellen erzeugt. Wir haben auch eine interaktive Demo aufgenommen, um Ihnen zu zeigen, wie Sie einen Ultraschallsensor in OnScale mithilfe der Finite-Elemente-Analyse simulieren können. Ein Ultraschallsensor ist ein System, das Ultraschallwellen aussenden und empfangen kann. Es wird im Allgemeinen verwendet, um die Entfernung zu und von einem Objekt zu erfassen. Es gehört auch zur Familie der „Wandler“, da es Ultraschallwellen aus einer Wechselspannung erzeugt. So wandelt es elektrische Energie in akustische Energie um.
Hier ist ein Beispiel für einen Ultraschallwellensensor:
Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?
Schauen wir uns den Mechanismus der „Wellengenerierung“ hinter diesem Sensor an.
Das Prinzip dieses Sensors ist einfach:
- Eine Scheibe aus piezoelektrischem PZT-Material vibriert unter einer bestimmten Spannung und erzeugt Ultraschallwellen aus dem Emitter
- Wenn diese Wellen auf ein Objekt treffen, kehren sie zum Rezeptor-Sensor zurück
- Der Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt wird mit der einfachen Beziehung d = (v * t) berechnet)/2
Hinweis: Die Wellen kommen von der Tatsache, dass sich die Welle hin und her bewegt.
Wie erzeugt eine vibrierende piezoelektrische Scheibe Ultraschallwellen?
Jedes Material besteht aus elementaren „Kristallen“. Diese Kristalle bestehen aus Atomen, die auf eine bestimmte Weise angeordnet sind und unterschiedliche positive oder negative Ladungen aufweisen.
Einige Materialien haben eine Kristallstruktur, die für elektrische Felder empfindlicher ist als andere und vibrieren unter einer zeitabhängigen Spannung. In diesen Kristallen ist der piezoelektrische Effekt am wichtigsten. In piezoelektrischen Kristallen wie Quarz, Turmalin und Rochelles Salz hat der Kristall an beiden Enden eine sechseckige Form. Es hat drei Achsen, es gibt optische Achse, elektrische Achse und mechanische Achse. Wenn ein Druck oder eine mechanische Kraft entlang der Polarisationsachse der piezoelektrischen Kristalle aufgebracht wird, erzeugt sie dann die Elektrizität.
Wie simuliert man einen Ultraschallsensor?
Die Simulation eines Ultraschallsensors in 2D oder 3D erfordert eine Software, die die 2-Wege-Kopplung zwischen Spannung, mechanischer Belastung und akustischer Welle korrekt handhaben kann. OnScale ist dazu in der Lage, indem es diese 3 Arten von Physik vollständig gekoppelt behandelt. Der andere Vorteil von OnScale ist, dass unser Hauptlöser ein nichtlinearer expliziter Löser ist. Alle Signale, die Sie mit OnScale eingeben und berechnen, sind Zeitverlaufssignale, was bedeutet, dass sie sehr nahe an dem liegen, was Sie tatsächlich auf einem Oszilloskop beobachten können, das ein physikalisches Experiment durchführt. OnScale hat die Fähigkeit, auch die Impedanz und die Frequenzsignale mit Hilfe der Fast Fourier Transformation (FFT) zu berechnen.
Ein vollständig gekoppelter Multiphysik-Solver ermöglicht viel schnellere Berechnungen und Simulationen von viel größeren Problemen. Dies wird bei der Simulation von Ultraschallsensoren sehr relevant.
Simulation eines in Wasser getauchten Ultraschallsensors
Betrachten wir eine 3D-Simulation eines einfachen in Wasser getauchten Wandlers. Symmetrie-Randbedingungen werden verwendet, um die CAD-Geometrie und die Modellgröße zu vereinfachen und die Lösungszeit zu verkürzen. Der Wandler wird mit einer elektrischen Last angetrieben, die über das piezokeramische Material angelegt wird.
Das CAD-Modell wurde in Onshape erstellt und ermöglicht die Anpassung der folgenden Konstruktionsvariablen. Standardmäßig werden die piezoelektrische Dicke, der piezoelektrische Radius und die passende Schichtdicke als Konfigurationsvariablen für den schnellen Zugriff über das Konfigurationsfenster in Onshape hinzugefügt.
Dieses Modell steht hier zum Download zur Verfügung
Ergebnisse
Von diesem Modell können wir alle folgenden Ausgabeergebnisse erhalten:
- Elektrische Impedanz
- Modenformen (Harmonische Analyse) des Basisdesigns
- Maximaler Schalldruck
Interaktives Tutorial des Simulationsprozesses
Wir haben ein einfaches interaktives Erlebnis geschaffen, mit dem neue OnScale-Benutzer entdecken können, wie sie diesen Ultraschallsensor simulieren können.
In dieser interaktiven Demo erfahren Sie:
1- Importieren eines CAD-Modells
2- Zuweisen einer Spannungslast
3- Simulieren dieses Modells mit OnScale in der Cloud
Wenn Sie an weiteren detaillierten Tutorials interessiert sind, lesen Sie hier unsere Designer-Tutorials.