The performance of an acoustic transducer is determined by the effects of many design variables. and mostly the influences of these design variables are not linearly independent of each other To achieve the optimal performance of an acoustic transducer, we must consider the cross-coupled effects of the design variables. In this study with the FEM. we analyzed the variation of the resonance frequency and sound pressure of a flextensional transducer in relation to Its design variables. Through statistical multiple regression analysis of the results, we derived functional forms of the resonance frequency and sound pressure in terms of the design variables, and with which we determined the optimal structure of the transducer by means of a constrained optimization technique, SQP-PD. The proposed method can reflect all the cross-coupled effects of multiple design variables, and can be utilized to the design of general acoustic transducers.
The performance of an acoustic transducer is determined by the effects of many design variables, and mostly the influences of these design variables are not linearly independent of each other. To achieve the optimal performance of an acoustic transducer, we must consider the cross-coupled effects of the design variables. In this study, the variation of the performances of underwater acoustic transducer in relation to its structural variables was analyzed. In addition, the new optimal design scheme of an acoustic transducer that could reflect not only individual but also all the cross-coupled effects of multiple structural variables, and could determine the detailed geometry of the transducer with great efficiency and rapidity was developed. The validation of the new optimal design scheme was verified by applying the optimal structure design of a flextensional transducer which are the most common use for high power underwater acoustic transducer. With the finite element analysis(FEA), we analyzed the variation of the resonance frequency, sound pressure, and working depth of a flextensional transducer in relation to its design variables. Through statistical multiple regression analysis of the results, we derived functional forms of the resonance frequency, sound pressure, and working depth in terms of the design variables. By applying the constrained optimization technique, Sequential Quadratic Programming Method of Phenichny and Danilin(SQP-PD), to the derived function, we designed and verified the optimal structure of the Class IV flextensional transducer that could provide the highest sound pressure level and highest working depth at a given operation frequency of 1 kHz.
The optimal structure of the Tonpilz transducer was designed. First, the FE model of the transducer was constructed, that included all the details of the transducer which used practical environment. The validity of the FE model was verified through the impedance analysis of the transducer. Second, the resonance frequency, the sound pressure, the bandwidth, and the impulsive shock pressure of the transducer in relation to its structural variables were analyzed. Third, the design method of $2^n$ experiments was employed to reduce the number of analysis cases, and through statistical multiple regression analysis of the results, the functional forms of the transducer performances that could consider the cross-coupled effects of the structural variables were derived. Based on the all results, the optimal geometry of the Tonpilz transducer that had the highest sound pressure level at the desired working environment was determined through the optimization with the SQP-PD method of a target function composed of the transducer performance. Furthermore, for the convenience of a user, the automatic process program making the optimal structure of the acoustic transducer automatically at a given target and a desired working environment was made. The developed method can reflect all the cross-coupled effects of multiple structural variables, and can be extended to the design of general acoustic transducers.
In this paper, a beam design method is presented for the planar array with unequal transducer sensitivities. Basically the proposed method consists of two steps. At first, the optimum weightings are designed with the assumption that all array elements have an uniform sensitivity. Next, the compesnated weightings for the unequal transducer sensitivities can reversely be determined from an inverse problem utilizing the design beam pattern evaluated by the predetermined optimal weightings. A numerical example is inculded to illustrate the proposed method.
Sheykholeslami, Mohammad R.;Hojjat, Yousef;Cinquemani, Simone;Ghodsi, Mojtaba;Karafi, M.
Smart Structures and Systems
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제17권2호
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pp.313-325
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2016
The paper provides a comprehensive procedure for the mechanical and magnetic design of Langevin transducer based on giant magnetostrictive material. The the transducer is designed to work at its second mode of vibration, having high mechanical quality factor and low damping coefficient. The design procedure is based on an analytical model and it is verified by finite-element analysis. Experimental tests based on impedance response analysis in first and second modes are carried out on the prototype. Results confirm the appropriate design of this transducer, demonstrating the highest mechanical quality factor between the resonant transducers in the literature.
본 연구에서는 상용 유한요소 해석 프로그램인 PZflex를 이용하여 초음파 탐촉자를 설계하고 이에 따라 제작하였다. 제작된 탐촉자는 복부 진단용에 적합한 크기와 형태로 중심 주파수 5 ㎒에 128개의 압전 소자가 곡면상에 1차원 배열된 컨벡스 (convex)형이며 두 층의 음향정합층, 하나의 후면층 그리고 각 압전소자 간의 커프로 구성된다. 제작된 탐촉자의 성능을 평가하여 설계치의 타당성을 검증하였으며, 등가회로 해석법에 의한 결과와 비교하여 유한 요소 해석법에 의한 설계법의 우수성을 확인하였다
Underwater acoustic transducers are widely used for SONAR application, whose important design parameters are shapes. materials, dimensions and supporting structures. Practical design method of transducers consists of manufacturing, experiments and modifications so that it requires much time and expenses. In this study, an analytical method was developed for the Tonpilz type transducers using the commercial finite element analysis code ATILA which can solve the electro-mechanical coupling problems. A finite element model was established including the transducer elements such as ceramic stack, head mass, tail mass, tensile bolt, and molding layers. The proposed model was verified and modified by comparing the in-air and in-water test results of prototypes. The developed analysis method will be effectively used for the sensitivity analysis of design parameters in transducer design process.
Underwater acoustic transducers are widely used for SONAR application, whose important design parameters are shapes, materials, dimensions and supporting structures. Practical design method of transducers consists of manufacturing, experiments and modifications so that It requires much time and expenses. In this study, an analytical method was developed for the Tonpilz type transducers using the commercial finite element analysis code ATILA which can solve the electro-mechanical coupling Problems. A finite element model was established including the transducer elements such as ceramic stack, head mass, tall mass, tensile bolt, and molding layers. The proposed model was verified and modified by comparing the in-air and in-water test results of prototypes. The developed analysis method will be effectively used for the sensitivity analysis of design parameters in transducer design process.
본 연구에서는 수중 음향 트랜스듀서의 주파수 광대역화를 위해서 중공형 전면추를 가진 Tonpilz 트랜스듀서를 제안하였다. 트랜스듀서의 특성에 미치는 설계변수들의 영향을 분석하고, 그 결과에 따라 Tonpilz 트랜스듀서의 최적구조를 설계하였다. 나아가 시편의 제작 및 특성 측정을 통하여 설계 결과의 타당성을 검증하였다. 설계된 트랜스듀서는 단일모드 트랜스듀서에 비해 월등히 넓은 131 %의 -6 dB 비대역폭을 나타내었으며, 해석 결과와 측정 결과가 잘 일치하는 것으로 확인되었다.
본 논문에서는 $48{\times}64$ 채널로 이루어진 압전단결정 2D 배열형 초음파 트랜스듀서의 설계, 제작 및 평가를 하였다. 전기적 연결이 용이한 평면배열 구조를 선정한 후, 그에 맞게 구성소자를 제작하였다. 유한요소 해석을 통하여 트랜스듀서의 세부 구조를 설계하였다. 트랜스듀서의 성능을 향상시키기 위해 치폭의 너비와 재료를 조절하여 소자간 상호간섭을 저감하고, 압전단결정 및 정합층의 최적 두께를 설계하여 목표 주파수 대역폭을 구현하였다. 설계에 따라 트랜스듀서의 시작품을 제작하고 그 특성을 측정한 후, 측정된 결과를 유한요소 해석 결과와 비교하여 개발된 트랜스듀서의 성능을 평가하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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