Dans cet article de blog, nous discutons du fonctionnement des capteurs à ultrasons et de la façon dont un disque piézoélectrique vibrant génère des ondes ultrasonores. Nous avons également inclus une démonstration interactive pour vous montrer comment simuler un capteur à ultrasons à l’échelle en utilisant l’analyse par éléments finis. Un capteur à ultrasons est un système qui peut émettre et recevoir des ondes ultrasonores. Il est généralement utilisé pour détecter la distance entre un objet et un objet. Il appartient également à la famille des « transducteurs » car il génère des ondes ultrasonores à partir d’une tension alternative. Ainsi, il transforme l’énergie électrique en énergie acoustique.
Voici un exemple de capteur d’ondes ultrasonores:
Comment fonctionne un capteur à ultrasons?
Regardons le mécanisme de « génération d’ondes » derrière ce capteur.
Le principe de ce capteur est simple:
- Un disque en matériau PZT piézoélectrique, vibre sous une certaine tension appliquée et génère des ondes ultrasonores hors de l’émetteur
- Lorsque ces ondes rencontrent un objet, elles reviennent vers le capteur récepteur
- La distance entre le capteur et l’objet est calculée en utilisant la relation simple d = (v*t)/2
Note: les ½ proviennent du fait que la vague se déplace d’avant en arrière.
Comment un disque piézoélectrique vibrant génère-t-il des ondes ultrasonores?
Chaque matériau est constitué de « cristaux » élémentaires. Ces cristaux sont constitués d’atomes qui sont disposés d’une certaine manière et qui ont différents types de charges positives ou négatives.
Certains matériaux ont une structure cristalline plus sensible au champ électrique que d’autres et vibrent sous une tension dépendant du temps. Ces cristaux sont là où l’effet piézoélectrique est le plus important. Dans les cristaux piézoélectriques tels que le quartz, la tourmaline et le sel de Rochelle, le cristal a une forme hexagonale aux deux extrémités. Il a trois axes, il y a l’Axe Optique, l’Axe électrique et l’Axe mécanique. Lorsqu’une pression ou une force mécanique est appliquée le long de l’axe de polarisation des cristaux piézoélectriques, elle produit alors l’électricité.
Comment simulez-vous un capteur à ultrasons?
La simulation d’un capteur à ultrasons en 2D ou 3D nécessite un logiciel capable de gérer correctement le couplage à 2 voies entre tension, contrainte mécanique et onde acoustique. Oncale est capable de le faire en gérant ces 3 types de physique de manière totalement couplée. L’autre avantage d’Scalecale est que notre solveur principal est un solveur explicite non linéaire. Tous les signaux que vous entrez et calculez avecScalecale sont des signaux d’historique temporel, ce qui signifie qu’ils sont très proches de ce que vous pouvez réellement observer sur un oscilloscope lors d’une expérience physique. Oncale a la capacité de calculer également l’impédance et les signaux de fréquence en utilisant la Transformation de Fourier Rapide (FFT).
Un solveur multiphysique entièrement couplé permet des calculs et une simulation beaucoup plus rapides de problèmes beaucoup plus importants. Cela devient très pertinent lors de la simulation de capteurs à ultrasons.
Simulation d’un capteur à ultrasons immergé dans l’eau
Considérons une simulation 3D d’un simple transducteur immergé dans l’eau. Les conditions aux limites de symétrie sont utilisées pour simplifier la géométrie CAO et la taille du modèle afin de réduire le temps de résolution. Le transducteur est entraîné avec une charge électrique appliquée à travers le matériau piézocéramique.
Le modèle CAO a été créé enapeape et permet d’ajuster les variables de conception suivantes. Par défaut, l’épaisseur piézoélectrique, le rayon piézoélectrique et l’épaisseur de couche correspondante sont ajoutés en tant que variables de configuration pour un accès rapide via le panneau de configuration dansapeape.
Ce modèle est disponible en téléchargement ici
Résultats
A partir de ce modèle, nous pouvons obtenir tous les résultats de sortie suivants:
- Impédance électrique
- Formes de mode (Analyse Harmonique) de la conception de base
- Pression acoustique maximale
Tutoriel interactif du processus de simulation
Nous avons créé une expérience interactive simple qui permet aux nouveaux utilisateurs à l’échelle de découvrir comment simuler ce capteur à ultrasons.
Dans cette démo interactive, vous apprendrez:
1 – Comment importer un modèle CAO
2 – Comment attribuer une charge de tension
3 – Comment simuler ce modèle avec Oncale sur le cloud
Si vous souhaitez suivre plus de nos tutoriels détaillés, consultez nos tutoriels de concepteur ici.