tässä blogikirjoituksessa keskustelemme siitä, miten ultraääni anturit toimivat ja miten värähtelevä pietsosähköinen levy tuottaa ultraääniaaltoja. Olemme myös mukana interaktiivinen demo näyttää, miten simuloida ultraääni anturi OnScale käyttäen Finite Element Analysis. Ultraäänianturi on järjestelmä, joka voi lähettää ja vastaanottaa ultraääniaaltoja. Sitä käytetään yleensä aistimaan etäisyys esineeseen ja siitä. Se kuuluu myös ”muuntimien” perheeseen, koska se tuottaa ultraääniaaltoja vaihtojännitteestä. Näin se muuttaa sähköenergiaa akustiseksi energiaksi.
tässä esimerkki ultraääniaaltoanturista:
miten Ultraäänianturi toimii?
Katsotaanpa” aaltosukupolven ” mekanismia tämän anturin takana.
tämän anturin periaate on yksinkertainen:
- pietsosähköisestä PZT-materiaalista valmistettu Kiekko värähtelee tietyssä jännitteessä ja synnyttää ultraääniaaltoja emitteristä
- kun nämä aallot kohtaavat kohteen, ne palaavat vastaanottoanturiin
- anturin ja kohteen välinen etäisyys lasketaan yksinkertaisella relaatiolla d = (v * t)/2
huomaa: ½ tulee siitä, että aalto kulkee edestakaisin.
miten värähtelevä pietsosähköinen Kiekko synnyttää ultraääniaaltoja?
jokainen materiaali on tehty alkeellisista ”kiteistä”. Nämä kiteet koostuvat atomeista, jotka ovat järjestäytyneet tietyllä tavalla ja joilla on erilaisia positiivisia tai negatiivisia varauksia.
joillakin materiaaleilla on sähkökentälle muita järkevämpi kiderakenne ja ne värähtelevät ajasta riippuvan jännitteen alla. Näissä kiteissä pietsosähköinen vaikutus on tärkein. Pietsosähköisissä kiteissä kuten kvartsissa, turmaliinissa ja Rochellen suolassa kide on heksagonaalinen molemmissa päissä. Siinä on kolme akselia, on Optinen akseli, sähköinen akseli ja mekaaninen akseli. Kun pietsosähköisten kiteiden polarisaatioakselia pitkin kohdistetaan painetta tai mekaanista voimaa, se tuottaa sähköä.
miten ultraäänianturia simuloidaan?
ultraäänianturin simulointi 2D-tai 3D-muodossa edellyttää ohjelmistoa, joka pystyy käsittelemään oikein jännitteen, mekaanisen rasituksen ja akustisen aallon välistä kaksisuuntaista kytkentää. OnScale pystyy tähän käsittelemällä näitä 3 erilaista fysiikkaa täysin yhteen kytkettynä. Toinen etu OnScale on, että tärkein ratkaisija on epälineaarinen selkeä ratkaisija. Kaikki signaalit syötät ja laskea OnScale ovat aikahistorian signaaleja, mikä tarkoittaa, että ne ovat hyvin lähellä mitä voit todella tarkkailla oskilloskooppi Turing fyysinen koe. Onscalella on kyky myös laskea impedanssi ja taajuussignaalit käyttäen nopeaa Fourier-muunnosta (FFT).
täysin kytketty monifysiikan ratkaisija mahdollistaa paljon nopeammat laskelmat ja paljon suurempien ongelmien simuloinnin. Tämä on erittäin tärkeää, kun simuloidaan ultraäänisensoreita.
simuloidaan ultraäänianturia veden alla
tarkastellaan 3D-simulaatiota yksinkertaisesta anturista veden alla. Symmetrian reunaehtoja käytetään yksinkertaistamaan CAD-geometriaa ja mallikokoa ratkaisuajan lyhentämiseksi. Anturia ajetaan pietsokeraamisen materiaalin läpi kohdistuvalla sähkökuormalla.
CAD-malli luotiin Onshapessa ja se mahdollistaa seuraavien suunnittelumuuttujien säätämisen. Oletusarvoisesti pietsosähköinen paksuus, pietsosähköinen säde ja vastaava kerroksen paksuus lisätään konfiguraatiomuuttujina nopean pääsyn Kokoonpanopaneelin kautta Onshapessa.
tämä malli on ladattavissa täältä
tulokset
tästä mallista saadaan kaikki seuraavat tulostulokset:
- Sähköimpedanssi
- pohjarakenteen muodot (harmoninen analyysi)
- suurin akustinen paine
Interaktiivinen opetusohjelma simulaatioprosessista
olemme luoneet yksinkertaisen interaktiivisen kokemuksen, jonka avulla uudet OnScale-käyttäjät voivat selvittää, miten simuloida tätä ultraäänianturia.
tässä interaktiivinen demo, opit:
1-Kuinka tuoda CAD-malli
2 – kuinka määrittää jännitekuorma
3-Kuinka simuloida kyseistä mallia onscale-ohjelmalla pilvessä
jos olet kiinnostunut seuraamaan yksityiskohtaisempia tutorialejamme, tutustu designer-tutorialeihimme täältä.