En esta entrada de blog analizamos cómo funcionan los sensores ultrasónicos y cómo un disco piezoeléctrico vibrante genera ondas ultrasónicas. También hemos incluido una demostración interactiva para mostrarle cómo simular un sensor ultrasónico en escala usando Análisis de Elementos Finitos. Un sensor ultrasónico es un sistema que puede emitir y recibir ondas ultrasónicas. Generalmente se usa para sentir la distancia hacia y desde un objeto. También pertenece a la familia de «transductores» porque genera ondas ultrasónicas a partir de una tensión alterna. Por lo tanto, transforma la energía eléctrica en energía acústica.
Este es un ejemplo de sensor de ondas ultrasónicas:
¿Cómo funciona un sensor ultrasónico?
Veamos el mecanismo de» generación de ondas » detrás de este sensor.
El principio de este sensor es simple:
- Un disco hecho de material PZT piezoeléctrico, vibra bajo una cierta tensión aplicada y genera ondas ultrasónicas del emisor
- Cuando esas ondas se encuentran con un objeto, vuelven al sensor del receptor
- La distancia entre el sensor y el objeto se calcula utilizando la relación simple d = (v * t)/2
Nota: la ½ proviene del hecho de que la ola viaja de ida y vuelta.
¿Cómo genera ondas ultrasónicas un disco piezoeléctrico vibrante?
Cada material está hecho de «cristales» elementales. Esos cristales están hechos de átomos que están dispuestos de cierta manera y que tienen diferentes tipos de cargas positivas o negativas.
Algunos materiales tienen una estructura cristalina más sensible al campo eléctrico que otros y vibran bajo un voltaje dependiente del tiempo. Esos cristales son donde el efecto piezoeléctrico es más importante. En cristales piezoeléctricos como el cuarzo, la turmalina y la sal de rochelle, el cristal tiene una forma hexagonal en ambos extremos. Tiene tres ejes, hay Eje Óptico, Eje Eléctrico y Eje Mecánico. Cuando se aplica una presión o fuerza mecánica a lo largo del eje de polarización de los cristales piezoeléctricos, produce la electricidad.
¿Cómo simula un sensor ultrasónico?
La simulación de un sensor ultrasónico en 2D o 3D requiere un software que pueda manejar correctamente el acoplamiento de 2 vías entre voltaje, tensión mecánica y onda acústica. Onale es capaz de hacer esto manejando esos 3 tipos de física de una manera totalmente acoplada. La otra ventaja de Onale es que nuestro solucionador principal es un solucionador explícito no lineal. Todas las señales que ingresa y calcula con Onale son señales de historial de tiempo, lo que significa que están muy cerca de lo que realmente puede observar en un Osciloscopio durante un experimento físico. Onale también tiene la capacidad de calcular la impedancia y las señales de frecuencia utilizando la Transformación Rápida de Fourier (FFT).
Un solucionador multifísico totalmente acoplado permite cálculos y simulación mucho más rápidos de problemas mucho más grandes. Esto se vuelve muy relevante cuando se simulan sensores de ultrasonido.
Simulación de un sensor ultrasónico sumergido en agua
Consideremos una simulación en 3D de un transductor simple sumergido en agua. Las condiciones de contorno de simetría se utilizan para simplificar la geometría CAD y el tamaño del modelo para reducir el tiempo de resolución. El transductor se acciona con una carga eléctrica aplicada a través del material piezocerámico.
El modelo CAD se creó en forma y permite ajustar las siguientes variables de diseño. De forma predeterminada, el grosor piezoeléctrico, el radio piezoeléctrico y el grosor de capa correspondiente se agregan como variables de configuración para un acceso rápido a través del Panel de configuración enapeshape.
Este modelo está disponible para descargar aquí
Resultados
a partir De este modelo, podemos obtener los siguientes resultados:
- Impedancia eléctrica
- Formas de modo (Análisis Armónico) del diseño de base
- Presión acústica máxima
Tutorial interactivo del proceso de simulación
Hemos creado una experiencia interactiva sencilla que permite a los nuevos usuarios de escala descubrir cómo simular este sensor ultrasónico.
En esta demo interactiva, usted aprenderá:
1-Cómo importar un modelo CAD
2 – Cómo asignar carga de voltaje
3 – Cómo simular ese modelo con Onale en la nube
Si está interesado en seguir más de nuestros tutoriales detallados, consulte nuestros tutoriales de diseñador aquí.