In questo post del blog discutiamo di come funzionano i sensori ultrasonici e di come un disco piezoelettrico vibrante genera onde ultrasoniche. Abbiamo anche incluso una demo interattiva per mostrare come simulare un sensore ad ultrasuoni in OnScale utilizzando l’analisi degli elementi finiti. Un sensore ad ultrasuoni è un sistema in grado di emettere e ricevere onde ultrasoniche. Viene generalmente utilizzato per rilevare la distanza da e verso un oggetto. Appartiene anche alla famiglia dei “trasduttori” perché genera onde ultrasoniche da una tensione alternata. Così, trasforma l’energia elettrica in energia acustica.
Ecco un esempio di un sensore ad onde ultrasoniche:
Come funziona un sensore ad ultrasuoni?
Diamo un’occhiata al meccanismo di “generazione d’onda” dietro questo sensore.
Il principio di questo sensore è semplice:
- Un disco fatto da piezoelettrico PZT materiale, vibra di sotto di una certa tensione applicata e genera onde di ultrasuoni di emettitore
- Quando le onde incontrano un oggetto, tornano per il recettore del sensore
- la distanza tra Il sensore e l’oggetto è calcolata usando la semplice relazione d = (v * t)/2
Nota: il ½ venire dal fatto che l’onda si sposta avanti e indietro.
In che modo un disco piezoelettrico vibrante genera onde ultrasoniche?
Ogni materiale è fatto di “cristalli” elementari. Quei cristalli sono fatti di atomi che sono disposti in un certo modo e che hanno diversi tipi di cariche positive o negative.
Alcuni materiali hanno una struttura cristallina più sensibile al campo elettrico rispetto ad altri e vibrano sotto una tensione dipendente dal tempo. Quei cristalli sono dove l’effetto piezoelettrico è più importante. Nei cristalli piezoelettrici come quarzo, tormalina e sale di rochelle, il cristallo ha una forma esagonale ad entrambe le estremità. Ha tre assi, ci sono asse ottico, asse elettrico e asse meccanico. Quando una pressione o una forza meccanica è applicata lungo l’asse di polarizzazione dei cristalli piezoelettrici allora produce l’elettricità.
Come si fa a simulare un sensore ad ultrasuoni?
La simulazione di un sensore ad ultrasuoni in 2D o 3D richiede un software in grado di gestire correttamente l’accoppiamento a 2 vie tra tensione, deformazione meccanica e onda acustica. OnScale è in grado di farlo gestendo quei 3 tipi di fisica in modo totalmente accoppiato. L’altro vantaggio di OnScale è che il nostro risolutore principale è un risolutore esplicito non lineare. Tutti i segnali di ingresso e calcolare con OnScale sono segnali di storia del tempo, il che significa che sono molto vicini a quello che si può effettivamente osservare su un oscilloscopio turing un esperimento fisico. OnScale ha la capacità di calcolare anche l’impedenza e i segnali di frequenza utilizzando la trasformazione di Fourier veloce (FFT).
Un risolutore multiphysics completamente accoppiato consente calcoli e simulazioni molto più veloci di problemi molto più grandi. Questo diventa molto rilevante quando si simulano sensori ad ultrasuoni.
Simulazione di un sensore ad ultrasuoni immerso in acqua
Consideriamo una simulazione 3D di un semplice trasduttore immerso in acqua. Le condizioni al contorno di simmetria vengono utilizzate per semplificare la geometria CAD e le dimensioni del modello per ridurre i tempi di risoluzione. Il trasduttore è guidato con un carico elettrico applicato attraverso il materiale piezoceramico.
Il modello CAD è stato creato in Onshape e consente di regolare le seguenti variabili di progettazione. Per impostazione predefinita, lo spessore piezoelettrico, il raggio piezoelettrico e lo spessore dello strato corrispondente vengono aggiunti come variabili di configurazione per un accesso rapido attraverso il pannello di configurazione in Onshape.
Questo modello è disponibile per il download qui
Risultati
Da questo modello, possiamo ottenere tutti i seguenti risultati di output:
- Impedenza Elettrica
- Modalità di Forme (Analisi Armonica) di progettazione di base
- Pressione Acustica Massima
tutorial Interattivo di simulazione del processo
Abbiamo creato una semplice esperienza interattiva che permette ai nuovi OnScale agli utenti di scoprire come simulare questo sensore ad ultrasuoni.
In questa demo interattiva, imparerai:
1 – Come importare un modello CAD
2 – Come assegnare il carico di tensione
3 – Come simulare quel modello con OnScale on the cloud
Se sei interessato a seguire più dei nostri tutorial dettagliati, controlla i nostri tutorial di progettazione qui.