如何将压电设备建模为发射机和接收器

压电设备被广泛用作产生声波或接收器以检测声信号的来源。在超声成像和非破坏性测试之类的应用中，可以将相同的传感器用作发送器来发送源信号和接收器以检测回声。对这些设备进行建模通常需要以飞行时间作为输出进行短暂分析。让我们讨论如何使用ComsolMultiphysics®软件将压电设备建模为发射器和接收器。

将传感器连接到压电设备中的外部电路

用作发射机和接收器的压电设备建模的最佳方法是使用该电源将换能器连接到外部电路终端特征。通常，在现实生活中，将压电层夹在两个薄电极层之间的情况下，以便将其连接到电路。额外的好处终端功能是Comsol多物理计算可用的集体参数，可以在求解模型后对其进行评估。

带有压电传感器传输和接收声音的压电传感器的声音井记录设置的模型。

这终端功能和电路接口可与AC/DC模块或者MEMS模块。另一种方法是使用表面电荷密度特征并指定表面电荷以激发传感器。（这将在博客文章后面讨论。）

使用终端功能

为了证明，我们将设置一个简单的2D轴对称压电设备的模型。如下图所示，半径为2 mm，厚度为1 mm的钛酸钛酸盐（PZT-5H）盘用作换能器。它位于无限大的挡板中，并将声音辐射到上方的水域。当声波到达顶部的刚性墙壁时，它们会反射回水域并被换能器捡起。声能都反映回接收器，但有些也从域中传输出来。

在通过散射或衰减减少声能之前，此过程将重复多次。假定水域在横向方向上延伸至无穷大，该方向是使用完美匹配的层（PML）功能。

演示模型的几何形状。

可以使用声学上的互动，瞬态接口，一种预定义的多物理接口，结合了压力声学，瞬态和压电设备将流体中的声压变化与固体和压电固体结构域中的结构变形相结合的接口。这压电设备接口也是多物理接口。它结合了固体力学和静电接口与模拟压电性所需的构型关系。

使用时终端功能，一个电路将接口添加到模型中以激发传感器并接收检测到的信号。电路的图形表示显示在下图中的左侧。电压源产生的激发脉冲是一个高斯形式的正弦波，中央频率200 kHz（右图显示）。

电路连接到传感器以驱动设备并接收信号。激发电脉冲显示在右侧。

要将传感器连接到模型中的电路，您需要：

1. 添加一个终端节点到静电接口并设置终端类型至电路（（顶部图像）
   • 这终端节点为电路提供电流 - 电压特性
2. 在边界选择上，添加电极连接到电路的边界
   • 在此示例中，它是压电设备的顶部表面
3. 添加一个地面节点到静电接口并将其应用于压电设备的其他电极（中心图像）
   • 在此示例中，压电设备的底部表面接地
4. 添加一个外部I末端节点到电路接口并将外部终端的电势设置为端子电压（ES/TERM1）（（底部图像）
   • 这外部I末端功能将电压对地面作为电压到地面分配连接到电路中的节点
   • 然后，在电压测量的上下文中，将节点的最终电路电流耦合为规定的电流源
   • 在里面节点连接编辑字段，确保输入正确的节点（在此示例中，是节点2，如上所述）

使用A连接传感器到电路终端特征。

在下面，在传感器顶部表面的中心点绘制了声压。该模型可用于多达13个声循环，以捕获到达传感器的前2个回声。如下图所示，该信息还包括在电路接收到的端子电压中，其中第一和第二回声的信号被放大以更好地可视化。

换能器顶部表面的中心点的声压图。

可以通过电路测量的端子电压图。

使用表面电荷密度特征

如果您无法访问终端功能，您可以使用表面电荷密度而是功能。表面电荷密度是可以添加到的边界条件静电界面并应用于传感器的电极表面。

使用表面电荷密度为传感器建模的功能。

通常，您可以使用终端功能或表面电荷密度将传感器作为发射机，接收器或同时建模的功能。当换能器仅用作发射机，并且您不打算使用它来检测任何传入信号，电位节点也可用于指定激发表面上的电势。另一方面，要模拟换能器作为接收器，浮动潜力功能也可以使用。这浮动潜力在浮动电势下对金属电极进行建模时，使用节点。当电荷设置为零时，边界将在静电条件下以无连接的，中性带电的好导体进行行为。

自己尝试

在里面Sonic Well Logging教程模型，您可以使用终端具有电路的功能，可以对发射器进行建模，该发射器也用作接收器。模型中使用的其他两个接收器使用浮动潜力特征。

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