w tym poście na blogu omawiamy, jak działają czujniki ultradźwiękowe i jak wibrujący dysk piezoelektryczny generuje fale ultradźwiękowe. Dodaliśmy również interaktywne demo, aby pokazać, jak symulować czujnik ultradźwiękowy w OnScale przy użyciu analizy elementów skończonych. Czujnik ultradźwiękowy to system, który może emitować i odbierać fale ultradźwiękowe. Jest zwykle używany do wyczuwania odległości do i od obiektu. Należy również do rodziny „przetworników”, ponieważ generuje fale ultradźwiękowe z napięcia przemiennego. W ten sposób przekształca energię elektryczną w energię akustyczną.
oto przykład czujnika fali ultradźwiękowej:
jak działa czujnik ultradźwiękowy?
spójrzmy na mechanizm „generowania fali” za tym czujnikiem.
zasada działania tego czujnika jest prosta:
- dysk wykonany z piezoelektrycznego materiału PZT, wibruje pod pewnym przyłożonym napięciem i generuje fale ultradźwiękowe z emitera
- gdy fale te spotykają się z obiektem, wracają do czujnika receptora
- odległość między czujnikiem a obiektem jest obliczana przy użyciu prostej relacji d = (v * t)/2
Uwaga: ½ pochodzi z faktu, że fala podróżuje tam iz powrotem.
W Jaki Sposób wibrujący dysk piezoelektryczny generuje fale ultradźwiękowe?
każdy materiał jest wykonany z elementarnych „kryształów”. Kryształy te są zbudowane z atomów ułożonych w określony sposób i posiadających różnego rodzaju ładunki dodatnie lub ujemne.
niektóre materiały mają strukturę krystaliczną bardziej wrażliwą na pole elektryczne niż inne i wibrują pod napięciem zależnym od czasu. Te kryształy są tam, gdzie efekt piezoelektryczny jest najważniejszy. W kryształach piezoelektrycznych, takich jak kwarc, Turmalin i sól rochelle ’ a, kryształ ma sześciokątny kształt na obu końcach. Ma trzy osie, są Oś optyczna, Oś elektryczna i oś mechaniczna. Gdy ciśnienie lub siła mechaniczna jest przyłożona wzdłuż osi polaryzacji kryształów piezoelektrycznych, wytwarza ona energię elektryczną.
jak symulować czujnik ultradźwiękowy?
Symulacja czujnika ultradźwiękowego w 2D lub 3D wymaga oprogramowania, które może poprawnie obsługiwać 2-drożne sprzężenie między napięciem, odkształceniem mechanicznym i falą akustyczną. OnScale jest w stanie to zrobić, obsługując te 3 rodzaje fizyki w całkowicie sprzężony sposób. Inną zaletą OnScale jest to, że nasz główny solver jest nieliniowym jawnym solverem. Wszystkie sygnały, które wprowadzasz i obliczasz za pomocą OnScale, są sygnałami historii czasu, co oznacza, że są one bardzo zbliżone do tego, co można zaobserwować na oscyloskopie podczas eksperymentu fizycznego. OnScale ma również możliwość obliczania impedancji i sygnałów częstotliwości za pomocą szybkiej transformacji Fouriera (FFT).
w pełni sprzężony Multiphysics solver pozwala na znacznie szybsze obliczenia i symulację znacznie większych problemów. Staje się to bardzo istotne podczas symulacji czujników ultradźwiękowych.
Symulacja czujnika ultradźwiękowego zanurzonego w wodzie
rozważmy symulację 3D prostego przetwornika zanurzonego w wodzie. Warunki brzegowe symetrii są używane do uproszczenia geometrii CAD i rozmiaru modelu w celu skrócenia czasu rozwiązania. Przetwornik napędzany jest obciążeniem elektrycznym przyłożonym do materiału piezoceramicznego.
model CAD został utworzony w Onshape i umożliwia dostosowanie następujących zmiennych projektowych. Domyślnie grubość piezoelektryczna, promień piezoelektryczny i dopasowana grubość warstwy są dodawane jako zmienne konfiguracyjne w celu szybkiego dostępu za pośrednictwem panelu konfiguracyjnego w Onshape.
ten model jest dostępny do pobrania tutaj
wyniki
z tego modelu możemy uzyskać wszystkie następujące wyniki wyjściowe:
- Impedancja elektryczna
- kształty trybu (Analiza harmoniczna) konstrukcji podstawy
- maksymalne Ciśnienie akustyczne
interaktywny samouczek procesu symulacji
stworzyliśmy proste interaktywne doświadczenie, które pozwala nowym użytkownikom OnScale odkryć, jak symulować ten czujnik ultradźwiękowy.
w tym interaktywnym demo dowiesz się:
1 – Jak zaimportować model CAD
2 – Jak przypisać obciążenie napięciowe
3 – jak symulować ten model za pomocą OnScale w chmurze
jeśli chcesz śledzić więcej naszych szczegółowych samouczków, sprawdź nasze samouczki dla projektantów tutaj.