i det här blogginlägget diskuterar vi hur ultraljudssensorer fungerar och hur en vibrerande piezoelektrisk skiva genererar ultraljudsvågor. Vi har också inkluderat en interaktiv demo för att visa dig hur man simulerar en ultraljudssensor i OnScale med hjälp av finita elementanalys. En ultraljudssensor är ett system som kan avge och ta emot ultraljudsvågor. Det används vanligtvis för att känna avståndet till och från ett objekt. Det tillhör också familjen” givare ” eftersom det genererar ultraljudsvågor från en växelspänning. Således omvandlar den elektrisk energi till akustisk energi.
här är ett exempel på en ultraljudsvågsensor:
hur fungerar en ultraljudssensor?
Låt oss titta på ”wave generation” – mekanismen bakom denna sensor.
principen för denna sensor är enkel:
- en skiva Tillverkad av piezoelektrisk PZT-material vibrerar under en viss spänning som appliceras och genererar ultraljudsvågor ur emitteren
- när dessa vågor möter ett objekt kommer de tillbaka till receptorsensorn
- avståndet mellan sensorn och objektet beräknas med hjälp av det enkla förhållandet d = (v * t)/2
Obs: den Bisexuell kommer från det faktum att vågen färdas fram och tillbaka.
hur genererar en vibrerande piezoelektrisk skiva ultraljudsvågor?
varje material är tillverkat av elementära ”kristaller”. Dessa kristaller är gjorda av atomer som är ordnade på ett visst sätt och som har olika slags positiva eller negativa laddningar.
vissa material har en kristallstruktur som är mer förnuftig för elektriskt fält än andra och vibrerar under en tidsberoende spänning. Dessa kristaller är där den piezoelektriska effekten är viktigast. I piezoelektriska kristaller som kvarts, turmalin och Rochelles salt har kristallen en sexkantig form i båda ändarna. Den har tre axlar, det finns Optisk axel, elektrisk axel och mekanisk axel. När ett tryck eller mekanisk kraft appliceras längs polarisationsaxeln hos de piezoelektriska kristallerna producerar den sedan elen.
hur simulerar du en ultraljudssensor?
simulering av en ultraljudssensor i 2D eller 3D kräver en programvara som korrekt kan hantera 2-vägskopplingen mellan spänning, mekanisk belastning och akustisk våg. OnScale kan göra detta genom att hantera de 3 typerna av fysik på ett helt kopplat sätt. Den andra fördelen med OnScale är att vår huvudlösare är en olinjär explicit lösare. Alla signaler du matar in och beräknar med OnScale är tidshistoriksignaler, vilket innebär att de är mycket nära vad du faktiskt kan observera på ett oscilloskop turing ett fysiskt experiment. OnScale har förmågan att också beräkna impedansen och frekvenssignalerna med hjälp av Fast Fourier Transformation (FFT).
en helt kopplad multifysiklösare möjliggör mycket snabbare beräkningar och simulering av mycket större problem. Detta blir mycket relevant när man simulerar ultraljudssensorer.
simulera en ultraljudssensor nedsänkt i vatten
låt oss överväga en 3D-simulering av en enkel givare nedsänkt i vatten. Symmetri gränsvillkor används för att förenkla CAD geometri och modellstorlek för att minska lösa tid. Givaren drivs med en elektrisk belastning applicerad över det piezoceramiska materialet.
CAD-modellen skapades I Onshape och gör att följande designvariabler kan justeras. Som standard läggs piezoelektrisk tjocklek, piezoelektrisk radie och matchande skikttjocklek till som konfigurationsvariabler för snabb åtkomst via konfigurationspanelen i Onshape.
denna modell är tillgänglig för nedladdning här
resultat
från denna modell kan vi få alla följande resultat:
- elektrisk Impedans
- Lägesformer (harmonisk analys) av basdesign
- maximalt akustiskt Tryck
interaktiv handledning av simuleringsprocessen
vi har skapat en enkel interaktiv upplevelse som gör att nya OnScale-användare kan upptäcka hur man simulerar denna ultraljudssensor.
i denna interaktiva demo lär du dig:
1-Hur man importerar en CAD-modell
2 – Hur man tilldelar spänningsbelastning
3-Hur man simulerar den modellen med OnScale på molnet
om du är intresserad av att följa mer av våra detaljerade tutorials, kolla in våra designer tutorials här.