このブログ記事では、超音波センサがどのように動作し、振動する圧電ディスクが超音波を生成するかについて説明します。 また、有限要素解析を使用してオンスケールで超音波センサをシミュレートする方法を示すインタラクティブなデモも含まれています。 超音波センサは、超音波を放出および受信することができるシステムである。 これは、一般的に、オブジェクトとの間の距離を感知するために使用されます。 それはまた交互になる電圧からの超音波を発生させるので”トランスデューサー”の系列に属します。 従って、それは音響エネルギーに電気エネルギーを変形させます。
超音波センサーの例を次に示します:
超音波センサはどのように機能しますか？
このセンサーの背後にある”波の発生”メカニズムを見てみましょう。
このセンサーの原理は簡単です:
- 圧電PZT材料から作られたディスクは、一定の張力を加えた下で振動し、エミッタから超音波を発生させます
- それらの波が物体に会うと、受容体セン)/2
注：½は、波が前後に移動するという事実から来ています。
振動する圧電ディスクはどのようにして超音波を発生させますか？
すべての材料は基本的な”結晶”で作られています。 これらの結晶は、特定の方法で配置され、異なる種類の正または負の電荷を有する原子でできています。
いくつかの材料は、他のものよりも電界に対してより賢明な結晶構造を有し、時間依存電圧の下で振動する。 これらの結晶は、圧電効果が最も重要な場所です。 水晶、電気石およびロシェルの塩のような圧電気の水晶では、水晶に両端に六角形の形があります。 それに3本の斧が、そこにです光軸線、電気軸線および機械軸線あります。 圧力か機械力が圧電気の水晶の分極の軸線に沿って加えられるときそれから電気を作り出します。
超音波センサーをどのようにシミュレートしますか？
超音波センサを2Dまたは3Dでシミュレートするには、電圧、機械的ひずみ、音波の2方向結合を正しく処理できるソフトウェアが必要です。 OnScaleは、これらの3種類の物理学を完全に結合した方法で処理することによってこれを行うことができます。 OnScaleのもう1つの利点は、主なソルバーが非線形の陽的ソルバーであることです。 オンスケールで入力および計算するすべての信号は時間履歴信号であるため、物理的な実験を行うオシロスコープで実際に観察できるものに非常に近 OnScaleには、高速フーリエ変換(FFT)を使用してインピーダンスと周波数信号を計算する機能もあります。
完全結合マルチフィジックスソルバーは、はるかに高速な計算とはるかに大きな問題のシミュレーションを可能にします。 これは超音波センサーを模倣するとき非常に関連しているようになる。
水中に沈められた超音波センサのシミュレーション
水中に沈められた単純なトランスデューサの3Dシミュレーションを考えてみましょう。 対称境界条件は，ＣＡＤ形状とモデルサイズを単純化して解ける時間を短縮するために使用される。 トランスデューサーはpiezoceramic材料を渡って加えられる電気負荷と運転される。
CADモデルはOnshapeで作成され、以下の設計変数を調整できます。 デフォルトでは、圧電体の厚さ、圧電体の半径、および一致する層の厚さは、Onshapeの構成パネルを介して迅速にアクセスするための構成変数として追加され
このモデルはこちらからダウンロードできます
結果
このモデルから、以下のすべての出力結果を得ることができます:
- 電気インピーダンス
- ベース設計のモード形状（高調波解析）
- 最大音響圧力
シミュレーションプロセスのインタラクティブなチュートリアル
私たちは、新しいオンスケールユーザーがこの超音波センサーをシミュレートす
このインタラクティブなデモでは、次のことを学びます:
1-CADモデルをインポートする方法
2-電圧負荷を割り当てる方法
3-クラウド上のOnScaleでそのモデルをシミュレートする方法
詳細なチュートリアル