17473

17473

شبيه سازي تلفات حرارتي و ارزيابي عملكرد ترانسديوسر تانپبلز

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

فروردين 1396

دكتر نوروز محمد نوري

مكانيك

ترانسديوسرهاي تانپيلز به طور گسترده در سيستم هاي سونار، براي ايجاد امواج آكوستيكي در آب مورد استفاده قرار مي گيرند. اين ترانسديوسرها براي توليد امواج التراسونيك، از خواص پيزوالكتريك كريستالها استفاده مي كنند و با اعمال يك ميدان الكتريكي نوساني باعث ايجاد ارتعاش مكانيكي در قطعه شده كه به طبع آن امواج التراسونيك توليد مي گردد. يكي از مشكلات اين ترانسديوسرها و به طور كلي تمام سيستم هايي كه از خواص پيزوالكتريسيته مواد پيزوالكتريك استفاده مي كنند، مشكلات مربوط به افزايش دماي آنها با گذشت زمان با توجه به اتلافات ذاتي مواد پيزوالكتريك است. از طرف ديگر با محاسبه انرژي تلف شده در هر سيكل، ميتوان تعداد سيكل هاي كاري اجزاي مكانيكي تحت بارگذاري نوساني را با تعريف انتروپي شكست و مانيتور كردن انتروپي آنها تا رسيدن به انتروپي مربوطه، تخمين زد. در اين روش جزئيات مربوط به افزايش دماي هر نقطه از ماده اهميت ندارد و صرفا مقدار انتروپي قطعه در هر لحظه مهم است. در اين پايان نامه كه با روش حل عددي اجزاء محدود انجام گرفته است، در ابتدا پاسخ امپدانسي ترانسديوسري كه از قبل براي كار در فركانس مشخصي طراحي شده، به دست آمده و حلقه هاي اتلاف هيسترسيس آن با توجه به منحني امپدانس الكتريكي آن تخمين زده شده است. سپس با محاسبه مساحت داخل حلقه ها، مقدار اتلافات در هر سيكل محاسبه شده است. در نهايت با توجه به دماي نقطه كوري كه در آن دما، كريستال ها خاصيت پيزوالكتريك خود را از دست مي دهند و همچنين با توجه به معادله ساختاري افزايش انتروپي پيزوالكتريك ها، انتروپي شكست براي پيزوسراميك ها محاسبه شده است و افزايش انتروپي ترانسديوسر تا رسيدن به انتروپي مربوطه مانيتور شده است. در نهايت مدت زمان مجاز استفاده از ترانسديوسر تخمين زده شده است. واژه هاي كليدي: ترانسديوسر تانپيلز، مواد پيزوالكتريك، پاسخ امپدانسي، اتلافات هيسترسيس، دماي نقطه كوري، انتروپي شكست

1396/03/27

1/1/1900 12:00:00 AM

Tonpilz transducers have wide application at sonar systems for acoustic wave generation in water. These transducers use crystals piezoelectric properties for ultrasonic wave generation, by applying an alternate electric field they cause mechanical vibrations and as the result ultrasonic waves will be generated. Constant temperature increase over time, due to the hysteresis loss in piezoelectric material, is one of the common problems affiliated with Tonpilz transducers. However, by calculating dissipated energy for every cycle, estimation of cycle number for every mechanical component which works under that cycle load is possible by defining fatigue entropy and monitoring components entropy up to fatigue entropy. Here, the components temperature increase is not the focus and just their instant entropy is the defining factor. In this thesis with the use of finite element method, at first the impedance response of an already designed transducer at a specific frequency is calculated and its hysteresis loops are estimated according to impedance curve. Then with measuring of the area inside the loops, the amount of loss per cycle is calculated. In the next step, considering Curie temperature at which crystals will lose their piezoelectric properties and also regarding structural equation of piezoelectric entropy rise, fatigue entropy for piezoceramic is calculated and also transducers entropy increase for fatigue entropy calculation is monitored. Finally, the time limit for using the transducer is estimated. Keywords: Tonpilz transducers, piezoelectric materials, impedance response, hysteresis loss, Curie temperature, fatique entropy