i dette blogginnlegget diskuterer vi hvordan ultralydsensorer fungerer og hvordan en vibrerende piezoelektrisk plate genererer ultralydbølger. Vi har også tatt med en interaktiv demo for å vise deg hvordan du simulerer en ultralydssensor I OnScale ved Hjelp Av Finite Element Analysis. En ultralydssensor er et system som kan avgi og motta ultralydbølger. Det er vanligvis brukt til a fornemme avstanden til og fra et objekt. Det tilhører også familien av «transdusere» fordi det genererer ultralydbølger fra en veksling. Dermed forvandler den elektrisk energi til akustisk energi.
her er et eksempel på en ultralydbølgesensor:
Hvordan fungerer en ultralydsensor?
La oss se på» wave generation » – mekanismen bak denne sensoren.
prinsippet for denne sensoren er enkel:
- en plate laget av piezoelektrisk pzt-materiale, vibrerer under en viss spenning påført og genererer ultralydbølger ut av emitteren
- når disse bølgene møter et objekt, kommer de tilbake til reseptorsensoren
- avstanden mellom sensoren og objektet beregnes ved hjelp av det enkle forholdet d = (v * t)/2
merk: den ½ kommer fra det faktum at bølgen reiser frem og tilbake.
hvordan genererer en vibrerende piezoelektrisk plate ultralydbølger?
Hvert materiale er laget av elementære «krystaller». Disse krystallene er laget av atomer som er ordnet på en bestemt måte, og som har forskjellige typer positive eller negative ladninger.
noen materialer har en krystallstruktur som er mer fornuftig for elektrisk felt enn andre og vibrerer under en tidsavhengig spenning. Disse krystallene er der den piezoelektriske effekten er viktigst. I piezoelektriske krystaller som kvarts, turmalin og rochelles salt har krystallet en sekskantet form i begge ender. Den har tre akser, Det Er Optisk Akse, Elektrisk Akse og Mekanisk Akse. Når et trykk eller mekanisk kraft påføres langs polarisasjonsaksen til de piezoelektriske krystallene, produserer den deretter strømmen.
hvordan simulerer du en ultralydssensor?
Simulering av en ultralydssensor I 2D eller 3D krever en programvare som kan håndtere 2-veis koblingen mellom spenning, mekanisk belastning og akustisk bølge på riktig måte. OnScale er i stand til å gjøre dette ved å håndtere disse 3 typer fysikk i en helt koblet måte. Den andre fordelen Med OnScale er at vår hovedløser er en ikke-lineær eksplisitt løser. Alle signalene Du legger inn og beregner Med OnScale er tidshistorikksignaler, noe som betyr at de er svært nær det du faktisk kan observere på Et Oscilloskop turing et fysisk eksperiment. OnScale har evnen til å også beregne impedansen og frekvenssignalene ved Hjelp Av Den Raske Fourier-Transformasjonen (FFT).
en fullt koblet multiphysics solver gir mye raskere beregninger og simulering av mye større problemer. Dette blir svært relevant når du simulerer ultralydssensorer.
Simulere en ultralydssensor nedsenket i vann
la oss vurdere EN 3D-simulering av en enkel svinger nedsenket i vann. Symmetri grenseforhold brukes til å forenkle CAD geometri og modell størrelse for å redusere løse tid. Transduseren drives med en elektrisk belastning påført over det piezoceramiske materialet.
CAD-modellen ble opprettet I Onshape og lar følgende designvariabler justeres. Som standard blir piezoelektrisk tykkelse, piezoelektrisk radius og matchende lagtykkelse lagt til som konfigurasjonsvariabler for rask tilgang gjennom Konfigurasjonspanelet I Onshape.
denne modellen er tilgjengelig for nedlasting her
Resultater
fra denne modellen kan vi få alle følgende utgangsresultater:
- Elektrisk Impedans
- Modusformer (Harmonisk Analyse) av basedesign
- Maksimalt Akustisk Trykk
Interaktiv tutorial av simuleringsprosessen
Vi har laget en enkel interaktiv opplevelse som gjør at nye OnScale brukere å oppdage hvordan å simulere denne ultralydsensor.
I denne interaktive demo, vil du lære:
1-slik importerer DU EN CAD-modell
2 – slik tilordner du spenningsbelastning
3-slik simulerer du den modellen Med OnScale på skyen
hvis du er interessert i å følge flere av våre detaljerte opplæringsprogrammer, sjekk ut våre designerveiledninger her.