COMPACT ANALYTICAL MODEL FOR ELECTROMAGNETIC DISK-SHAPED UNDERWATER TRANSDUCER

Abstract


This paper proposes a mathematical model for a disk-type pulsed electrodynamic transducer operating in the low-frequency range. A well-known architecture of an electromagnetic acoustic radiator with a helical coil and a conducting disk is studied. In the work, the equations of the electromechanical system in the form of the Lagrange-Maxwell equations are built with the use of the Green's functions of a plane axisymmetric acoustic problem to estimate the reaction force of the fluid. A comparison is made between the results of a numerical solution of the obtained equations and direct numerical calculation in the COMSOL finite element analysis software. The resulting model shows good qualitative agreement with the results of finite element calculations while allowing calculations with a variation for all main model parameters required to design the transducer.

Full Text

В настоящее время большое внимание исследователей сосредоточено на проектировании мощных низкочастотных излучателей, применяемых в геологоразведке и подводных коммуникациях. Существенное продвижение в последнее время наблюдается в проектировании подобных излучателей, работающих на принципе пьезоэффекта и современных мощных магнитострикционных материалов, например, TerfenolD [1–12]. Такие излучатели, как правило, реализованы по схеме преобразования осевой деформации, развиваемой материалом, в изгибные деформации внешней упругой оболочки (Class IV flextensional transducers [4], рис. 1), за счет чего удаётся увеличить амплитуды перемещений. Данная схема компоновки излучателя не нова. Так, в 1929 г. уже существовали коммерческие образцы [4], однако применение новых сильных монокристаллических пьезоматериалов позволило существенно повысить эффективность работы излучателей. Недостатком всех подобных схем являются существенные ограничения по глубине работы излучателя, при этом применение излучателя на большой глубине имеет непосредственные преимущества в части амплитуды сигнала, достигающего дна, и, как следствие, эффективности прохождения сигналом иловых отложений. Преодолеть принципиальные ограничения схем на пьезои магнитострикционных материалах способны электродинамические излучатели. В настоящей работе рассмотрена классическая схема дискового импульсного излучателя с плоской спиральной катушкой, принципиальная схема представлена на рис. 2. Производя разряд конденсатора, через спиральную катушку создаётся переменное магнитное поле, которое наводит в диске ток в окружном направлении. Наведенный ток противоположен току в спирали, что приводит к возникновению пондеромоторных сил (по своей природе аналогичны силе взаимодействия – притяжения или отталкивания – двух параллельных проводников), выталкивающих диск. В классической работе Н.А. Роя [1] даны принципиальные оценки эффективности излучения и амплитуды сигнала давления при работе излучателя в области высоких частот, что выражается в используемом Роем подходе к оценке параметров электромагнитных и акустических процессов. Как показал численный эксперимент, при попытке применения указанных характеристик к проектированию излучателя малых волновых размеров или с характерными частотами порядка 100 Гц и ниже полученные в статье оценки сильно отличаются от расчета, что делает актуальным рассмотрение данной задачи в более общей постановке. Целью исследования является разработка компактной модели электродинамического излучателя дискового типа для характерных частот воздействия порядка 100 Гц и излучателей малых волновых размеров. Разработка связанной модели, позволяющей производить параметрические исследования для обеспечения желаемых технических требований излучателя, и верификация этой модели прямым конечно-элементным моделирование составляет научную новизну данной работы.

About the authors

A. V. Popov

Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University

A. V. Lukin

Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University

N. V. Piskun

Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University

References

  1. Рой, Н.А. Импульсные электродинамические излучатели / Н.А. Рой // Акустический журнал – 1970. – Т. XVI, вып. 1. – С. 121–128.
  2. Xiping, Mo Thirty years' progress of underwater sound projectors in China / Mo Xiping, Zhu Houqing // AIP Conference Proceedings 1495, 94. – 2012. – Р. 94–104. doi: 10.1063/1.4765910
  3. Bertrand, Dubus. Ultra-low frequency underwater acoustic projectors: Present status and future trends / Dubus Bertrand // The Journal of the Acoustical Society of America. Proceedings of Meetings on Acoustics – 2013. – Vol. 19. – Р. 1–6. doi: 10.1121/1.4800545
  4. Butler, J.L. Transducers and Arrays for Underwater Sound. Ed.2 / J.L. Butler, Ch.H. Sherman // Springer. – 2016. doi: 10.1007/978-3-319-39044-4
  5. COMSOL Multiphysics [Электронный ресурс]. – URL: www.comsol.com
  6. Неймарк, Ю.И. Динамика неголономных систем / Ю.И. Неймарк, Н.А. Фуфаев. – М.: Наука, 1967. – 520 с.
  7. Мартыненко, Ю.Г. Динамика твердого тела в электрических и магнитных полях / Ю.Г. Мартыненко. – М.: Наука, 1988. – 368 с.
  8. Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей: справочная книга / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. – Ленинград: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1986. – 447 с.
  9. Nayfeh, Ali H. Linear and nonlinear structural mechanics / Ali H. Nayfeh, Frank P. Pai // Wiley. – 2004. – 746 p.
  10. Волны в сплошных средах / А.Г. Горшков, А.Л. Медведский, Л.Н. Рабинский, Д.В. Тарлаковский. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 472 с.
  11. Слепян, Л.И. Интегральные преобразования в нестационарных задачах механики / Л.И. Слепян, Ю.С. Яковлев. – Л.: Судостроение, 1980. – 344 с.
  12. Butler, J.L. Rare earth iron octagonal transducer / J.L. Butler, S.J. Ciosek // J. Acoust. Soc. Am. – 1980. – Vol. 67. – P. 1809–1811.
  13. Butler, S.C. A broadband hybrid magnetostrictive/piezoelectric transducer array / S.C. Butler, F.A. Tito // Oceans 2000 MTS/IEEE Conference Proceedings, Providence, RI. – 2000. – Vol 3, September (2000). – P. 1469–1475.
  14. Development of a dual-layer structure for cymbal transducer arrays to achieve a wider Bandwidth / J. Mudiyala, H. Shim, D. Kim, Y. Roh // Sensors. – 2022. – Vol. 22. – P. 6614.
  15. C.H. Sherman, Underwater sound transducers – a review. IEEE Trans. Sonics Ultrason. Su-22, 281–290 (1975).
  16. Stansfield D. Underwater electroacoustic transducers / D. Stansfield. – Bath University Press, Bath, UK, 1991.
  17. Spherical–Omnidirectional Piezoelectric Composite Transducer for High Frequency Underwater Acoustics / Y. Zhang, L. Wang, L. Qin, C. Zhong, S. Hao // IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL. – 2021. – Vol. 68, no. 5.
  18. Benthien, G.W. Modeling of sonar transducers and arrays / G.W. Benthien, S.L. Hobbs // Tech Doc. 3181, April, San Diego, CA, 2004.
  19. Abdulla, Z. Design of Wideband tonpilz transducers for underwater SONAR applications with finite element model / Z. Abdulla, S. Naz, M.A.Z. Raja, A. Zameer // Appl. Acoust. – 2021. – Vol. 183. – P. 108293.
  20. Aronov, B. The energy method for analyzing the piezoelectric electroacoustic transducers / B. Aronov // J. Acoust. Soc. Am. – 2005. – Vol. 117. – P. 210–220.
  21. Design and construction of magnetostrictive transducers // Summary Technical Report of Division 6. – 1946. – Vol. 13.
  22. Teng, D. Effect of concave stave on class i Barrel-Stave flextensional transducer / D. Teng, X. Liu, F. Gao // Micromachines. – 2021. – Vol. 12. – P. 1258.
  23. Pyun, J.Y. Design of piezoelectric acoustic transducers for underwater applications / J.Y. Pyun, Y.H. Kim, K.K. Park // MDPI Sensors. – 2023. – Vol. 23(4). – P. 1821.
  24. Robinson, H. In high pressure characterization of single crystal cylinder transducers / H. Robinson // U.S. Navy Workshop on Acoustic Transduction Materials and Devices, State College, PA 2007.
  25. GMA phased array for active echo control of underwater target / J. Tang, Y. Bai, L. Yan, W. Wang // Appl. Acoust. – 2022. – Vol. 190. – P. 108646.
  26. Butler, J.L. Transducer figure of merit / J.L. Butler // J. Acoust. Soc. Am. – 2012. – Vol. 132. – P. 2158–2160.
  27. Butler, J.L. A tri-modal directional transducer / J.L. Butler, A.L. Butler, J.A. Rice // J. Acoust. Soc. Am. – 2004. – Vol. 115. – P. 658–665.
  28. Butler, J.L. Multimode synthesized beam transducer apparatus / J.L. Butler, A.L. Butler. – U.S. Patent 6,734,604 B2, (11 May, 2004).
  29. Zienkiewicz, O.C. The finite element method / O.C. Zienkiewicz. – McGraw-Hill Book Company, Maidenhead, 1986.
  30. Bathe, K.J. Finite element procedures in engineering analysis / K.J. Bathe. – Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1982.

Statistics

Views

Abstract - 123

PDF (Russian) - 73

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Popov A.V., Lukin A.V., Piskun N.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies