Компактная аналитическая модель импульсного электродинамического дискового излучателя
Автор: Попов И.А., Лукин А.В., Пискун Н.В.
Статья в выпуске: 1, 2024 года.
Бесплатный доступ
Предложена математическая модель импульсного электродинамического излучателя дискового типа, работающего в области низких частот. Объектом исследования выступает известная архитектура электромагнитного акустического излучателя со спиралевидной катушкой и проводящим диском. В настоящей работе выполнено построение уравнений электромеханической системы в форме Лагранжа - Максвелла. С применением функций Грина плоской осесимметричной акустической задачи получена оценка силы реакции жидкости. Проводится сравнение результатов численного решения полученных уравнений и прямого численного расчета в комплексе конечно-элементного анализа COMSOL. Полученная модель показывает хорошее качественное соответствие с результатами конечно-элементного анализа, при этом позволяет производить расчеты с вариацией всех основных параметров модели для проектирования излучателя.
Низкочастотный излучатель, акустическая среда, электромеханическая система, уравнения лагранжа - максвелла, функция грина, электродинамический излучатель, индукционные токи
Короткий адрес: https://sciup.org/146282827
IDR: 146282827 | УДК: 534.232 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.1.08
Compact analytical model for electromagnetic disk-shaped underwater transducer
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.
Список литературы Компактная аналитическая модель импульсного электродинамического дискового излучателя
- Рой, Н.А. Импульсные электродинамические излучатели / Н.А. Рой // Акустический журнал – 1970. – Т. XVI, вып. 1. – С. 121–128.
- 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
- 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
- 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
- COMSOL Multiphysics [Электронный ресурс]. – URL: www.comsol.com
- Неймарк, Ю.И. Динамика неголономных систем / Ю.И. Неймарк, Н.А. Фуфаев. – М.: Наука, 1967. – 520 с.
- Мартыненко, Ю.Г. Динамика твердого тела в электрических и магнитных полях / Ю.Г. Мартыненко. – М.: Наука, 1988. – 368 с.
- Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей: справочная книга / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. – Ленинград: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1986. – 447 с.
- Nayfeh, Ali H. Linear and nonlinear structural mechanics / Ali H. Nayfeh, Frank P. Pai // Wiley. – 2004. – 746 p.
- Волны в сплошных средах / А.Г. Горшков, А.Л. Медведский, Л.Н. Рабинский, Д.В. Тарлаковский. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 472 с.
- Слепян, Л.И. Интегральные преобразования в нестационарных задачах механики / Л.И. Слепян, Ю.С. Яковлев. – Л.: Судостроение, 1980. – 344 с.
- Butler, J.L. Rare earth iron octagonal transducer / J.L. Butler, S.J. Ciosek // J. Acoust. Soc. Am. – 1980. – Vol. 67. – P. 1809–1811.
- 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.
- 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.
- C.H. Sherman, Underwater sound transducers – a review. IEEE Trans. Sonics Ultrason. Su-22, 281–290 (1975).
- Stansfield D. Underwater electroacoustic transducers / D. Stansfield. – Bath University Press, Bath, UK, 1991.
- 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.
- Benthien, G.W. Modeling of sonar transducers and arrays / G.W. Benthien, S.L. Hobbs // Tech Doc. 3181, April, San Diego, CA, 2004.
- 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.
- Aronov, B. The energy method for analyzing the piezoelectric electroacoustic transducers / B. Aronov // J. Acoust. Soc. Am. – 2005. – Vol. 117. – P. 210–220.
- Design and construction of magnetostrictive transducers // Summary Technical Report of Division 6. – 1946. – Vol. 13.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Butler, J.L. Transducer figure of merit / J.L. Butler // J. Acoust. Soc. Am. – 2012. – Vol. 132. – P. 2158–2160.
- 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.
- Butler, J.L. Multimode synthesized beam transducer apparatus / J.L. Butler, A.L. Butler. – U.S. Patent 6,734,604 B2, (11 May, 2004).
- Zienkiewicz, O.C. The finite element method / O.C. Zienkiewicz. – McGraw-Hill Book Company, Maidenhead, 1986.
- Bathe, K.J. Finite element procedures in engineering analysis / K.J. Bathe. – Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1982.
