MKP simulace integrovaného snímače

MKP simulace integrovaného snímače podélných a příčných vln Petr Hora Olga Červená Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i. Praha, CZ Inženýrská mechanika 2012 - Svratka

Úvod nedestruktivní testování (NDT) materiálů a konstrukcí, piezoelektrické ultrazvukové snímače, P-vlny S-vlny, měření modulu pružnosti ve smyku a viskoelastických vlastností, schopnost generování a monitorování P-vln i S-vln. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 2 / 22

Snímač typu P-P α UT P α α šířka: 16 mm β střed UZ budiče: 20 mm rozměry UZ budiče: 0,2 6 mm PS PP Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 3 / 22

Snímač typu P-S UT α P α α sin α c 1 = sin β c 2 α + β = 90 β PP α = arctg(c 1 /c 2 ) PS α = 61,46 Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 4 / 22

Energetické koeficienty odrazu ( cos 2 2β (c 2 /c 1 ) 2 sin 2α sin 2β R PP = cos 2 2β + (c 2 /c 1 ) 2 sin 2β sin 2α ) 2 R PS = 4 (c 2/c 1 ) 2 cos 2 2β sin 2α sin 2β ( cos 2 2β + (c 2 /c 1 ) 2 sin 2β sin 2α ) 2 α β c 1 c 2 úhel dopadu a odrazu P-vlny, úhel odrazu S-vlny, rychlost P-vlny, rychlost S-vlny. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 5 / 22

Energetický koeficient odrazu; dopadající P-vlna 1 0.9 P-P 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.3 0.2 0.1 P-S 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 úhel dopadu Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 6 / 22

Energetický koeficient odrazu; dopadající S-vlna 1 0.9 S-P 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.3 0.2 0.1 S-S 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 úhel dopadu Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 7 / 22

energetický koeficient odrazu 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Geometrická podmínka maximum energie P-P P-S 0.951 61.5 0.959 66.7 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 úhel dopadu Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 8 / 22

Integrovaný snímač UT P P PP PS PS PP Jen, Ch.-K., Kobayashi, M.: Integrated and Flexible High Temperature Piezoelectric Ultrasonic Transducers. In: Ultrasonic and advanced methods for nondestructive testing and material characterization (C.H. Chen ed.) Wolrd Scientific, New York 2007, chap. 2 Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 9 / 22

Analýza metodou konečných prvků COMSOL Multiphysics strukturální mechanika, rovinná deformace, Lagrangeovy kvadratické prvky. Časová analýza Hannův mikrosekundový puls s nosnou frekvencí 5 MHz, 0 až 40 µs s krokem 0,01 µs, relativní tolerance: 10 4, absolutní tolerance: 10 8, trojúhelníková sít maximální velikost prvku 0,2 mm, řešič BDF, s maximálním řádem 2. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 10 / 22

Materiálové vlastnosti Ocel Youngův modul: E = 200 GPa, poissonovo číslo: ν = 0,29, hustota: ρ = 7870 kg/m 3 rychlost P-vln: rychlost S-vln: c 1 = 5770,8 m/s, c 2 = 3138,5 m/s. Piezokeramika PZT-4 Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 11 / 22

60 Snímač typu P-S 40 20 napětí [V] 0 20 40 S 1 S 2 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 12 / 22

1 µs 13 / 22

2 µs 13 / 22

3 µs 13 / 22

4 µs 13 / 22

5 µs 13 / 22

6 µs 13 / 22

7 µs 13 / 22

8 µs 13 / 22

9 µs 13 / 22

10 µs 13 / 22

11 µs 13 / 22

12 µs 13 / 22

13 µs 13 / 22

14 µs 13 / 22

15 µs 13 / 22

16 µs 13 / 22

17 µs 13 / 22

60 Snímač typu P-P 40 20 napětí [V] 0 20 40 P 1 P 2 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 14 / 22

1 µs 15 / 22

2 µs 15 / 22

3 µs 15 / 22

4 µs 15 / 22

5 µs 15 / 22

6 µs 15 / 22

7 µs 15 / 22

8 µs 15 / 22

9 µs 15 / 22

10 µs 15 / 22

11 µs 15 / 22

10 8 6 Integrovaný snímač P 1 P 2 4 napětí [V] 2 0 2 4 6 S 2 + PS 8 10 S 1 5 10 15 20 25 30 35 40 čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 16 / 22

Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače 10 20.0 mm 8 6 4 napětí [V] 2 0 2 4 6 8 10 10 20 30 40 čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

Duální snímač UT P UT PP PS P Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 18 / 22

30 Duální snímač - část P 20 10 napětí [V] 0 10 20 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 30 0 5 10 15 20 čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 19 / 22

30 Duální snímač - část S 20 10 napětí [V] 0 10 20 S 1 S 2 30 0 5 10 15 20 čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 20 / 22

0.5 µs 21 / 22

1.0 µs 21 / 22

1.5 µs 21 / 22

2.0 µs 21 / 22

2.5 µs 21 / 22

3.0 µs 21 / 22

3.5 µs 21 / 22

4.0 µs 21 / 22

4.5 µs 21 / 22

5.0 µs 21 / 22

5.5 µs 21 / 22

6.0 µs 21 / 22

6.5 µs 21 / 22

7.0 µs 21 / 22

7.5 µs 21 / 22

8.0 µs 21 / 22

8.5 µs 21 / 22

9.0 µs 21 / 22

9.5 µs 21 / 22

10.0 µs 21 / 22

Závěr Byly provedeny MKP simulace snímače typu P-P, P-S a integrovaného snímače. Byl proveden detailní rozbor vlivu polohy UZ budiče u integrovaného snímače. Získané výsledky jsou v dobré shodě s experimentálními výsledky Jena a Kobayashiho. Byl navržen duální snímač, který poskytuje tyto výhody: neexistence parazitních módů, nezávislé ovládání amplitudy a počátku jednotlivých módů. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 22 / 22

Závěr Byly provedeny MKP simulace snímače typu P-P, P-S a integrovaného snímače. Byl proveden detailní rozbor vlivu polohy UZ budiče u integrovaného snímače. Získané výsledky jsou v dobré shodě s experimentálními výsledky Jena a Kobayashiho. Byl navržen duální snímač, který poskytuje tyto výhody: neexistence parazitních módů, nezávislé ovládání amplitudy a počátku jednotlivých módů. Příspěvek vznikl na základě podpory projektu GA ČR č. 101/09/1630 Numerické řešení stacionárních a nestacionárních problémů dispersního šíření vln v mechanických systémech na různých úrovních a záměru ÚT AV ČR, v.v.i., AV0Z20760514. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 22 / 22