ebben a blogbejegyzésben megvitatjuk, hogyan ultrahangos érzékelők működnek, és hogyan rezgő piezoelektromos lemez generál ultrahangos hullámok. Azt is tartalmaz egy interaktív demo, hogy mutassa meg, hogyan kell szimulálni egy ultrahangos érzékelő OnScale segítségével végeselem elemzés. Az ultrahangos érzékelő olyan rendszer, amely ultrahanghullámokat bocsát ki és fogad. Általában arra használják, hogy érzékeljék a távolságot egy tárgytól. Az “átalakítók” családjába is tartozik, mert váltakozó feszültségből ultrahanghullámokat generál. Így az elektromos energiát akusztikus energiává alakítja.
Íme egy példa az ultrahangos hullámérzékelőre:
hogyan működik az ultrahangos érzékelő?
nézzük meg az érzékelő mögötti “hullámgenerációs” mechanizmust.
az érzékelő elve egyszerű:
- a lemez készült piezoelektromos PZT anyag, rezeg egy bizonyos feszültség alatt alkalmazott és generál ultrahang hullámok ki a kibocsátó
- amikor ezek a hullámok megfelelnek egy tárgy, jönnek vissza a receptor érzékelő
- a távolság az érzékelő és a tárgy segítségével számítjuk ki az egyszerű kapcsolat d = (v * t)/2
megjegyzés: a kontinuumok abból a tényből származnak, hogy a hullám oda-vissza halad.
hogyan működik egy rezgő piezoelektromos lemez ultrahanghullámokat?
minden anyag elemi “kristályokból”készül. Ezek a kristályok bizonyos módon elrendezett atomokból állnak, amelyek különböző pozitív vagy negatív töltéssel rendelkeznek.
egyes anyagok kristályszerkezete érzékenyebb az elektromos mezőre, mint mások, és időfüggő feszültség alatt rezegnek. Ezekben a kristályokban a piezoelektromos hatás a legfontosabb. A piezoelektromos kristályokban, mint például a kvarc, a turmalin és a rochelle-só, a kristály mindkét végén hatszög alakú. Három tengelye van, optikai tengely, elektromos tengely és mechanikus tengely. Amikor a piezoelektromos kristályok polarizációs tengelye mentén nyomást vagy mechanikai erőt alkalmaznak, akkor az áramot termeli.
hogyan szimulálja az ultrahangos érzékelőt?
az ultrahangos érzékelő 2D-ben vagy 3D-ben történő szimulálásához olyan szoftverre van szükség, amely megfelelően képes kezelni a feszültség, a mechanikai feszültség és az akusztikus hullám közötti 2-irányú kapcsolást. Az OnScale képes erre úgy, hogy ezeket a 3 féle fizikát teljesen összekapcsolt módon kezeli. Az OnScale másik előnye, hogy fő megoldónk egy nemlineáris explicit megoldó. Az OnScale segítségével bevitt és kiszámított összes jel időtörténeti jel, ami azt jelenti, hogy nagyon közel állnak ahhoz, amit egy fizikai kísérlet során oszcilloszkópon megfigyelhetünk. Az OnScale képes kiszámítani az impedanciát és a frekvenciajeleket a gyors Fourier-transzformáció (FFT) segítségével.
a teljesen kapcsolt multiphysics megoldó lehetővé teszi a sokkal gyorsabb számítások és szimuláció sokkal nagyobb problémákat. Ez nagyon fontos lesz az ultrahangos érzékelők szimulálásakor.
vízbe merített ultrahangos érzékelő szimulálása
tekintsünk egy vízbe merített egyszerű átalakító 3D-s szimulációját. A szimmetria peremfeltételeit a CAD geometria és a modellméret egyszerűsítésére használják a megoldási idő csökkentése érdekében. Az átalakítót a piezokerámia anyagán keresztül alkalmazott elektromos terhelés hajtja.
a CAD modellt Onshape-ben hozták létre, és lehetővé teszi a következő tervezési változók beállítását. Alapértelmezés szerint a piezoelektromos vastagság, a piezoelektromos sugár és a megfelelő rétegvastagság konfigurációs változóként kerül hozzáadásra az Onshape konfigurációs panelen keresztüli gyors hozzáférés érdekében.
ez a modell letölthető itt
eredmények
ebből a modellből a következő kimeneti eredményeket kaphatjuk meg:
- elektromos impedancia
- mód alakzatok (harmonikus elemzés) az alap tervezés
- maximális akusztikus nyomás
a szimulációs folyamat interaktív bemutatója
létrehoztunk egy egyszerű interaktív élményt, amely lehetővé teszi az új OnScale felhasználók számára, hogy felfedezzék, hogyan kell szimulálni ezt az ultrahangos érzékelőt.
ebben az interaktív demo, meg fogja tanulni:
1 – Hogyan kell importálni a CAD modell
2-Hogyan kell rendelni feszültség terhelés
3-Hogyan kell szimulálni, hogy a modell OnScale a felhő
ha érdekli a következő több részletes útmutatók, nézd meg a tervező útmutatók itt.