طراحي و شبيه‌سازي يك ترانسديوسر سونار پهن‌ باند و اعتبارسنجي با آزمايش ‌هاي تجربي

Design and Simulation of a Broadband Sonar Transducer and the Experimental Validation

دانش مبدل‌هاي صوتي پهن‌باند از فناوري‌هاي جديد و مهم در حوزه سونار محسوب مي‌شود كه با توجه به برخورداري كشور ايران از منابع آبي دريايي، اهميت دوچنداني پيدا مي‌كند. در اين مقاله پس از مقايسه عملكرد انواع ترانسديوسرها در اين حوزه، يك ترانسديوسر پهن‌باند با مشخصات امپدانسي و آكوستيكي معلوم كه توانايي ارسال و دريافت امواج را دارد، طراحي، شبيه‌سازي، ساخته و تست شده است. در ابتدا، ابعاد كلي يك ترانسديوسر پهن‌باند به كمك مدل‌سازي پارامتر متمركز و مدار معادل الكتريكي تقريب زده شده و سپس با افزايش درجات آزادي مدل‌هاي تحليلي، مشخصات تمام اجزاي ترانسديوسر در يك حالت بهينه براي داشتن پهناي باند بالا به دست آمده است. مدل طراحي‌شده، به كمك نرم‌افزار المان محدود كامسول مولتي‌فيزيك به‌صورت سه بعدي شبيه‌سازي ‌شده تا در ضمن مقايسه با روش طراحي تحليلي، حل دقيق‌تري صورت گرفته باشد. سرانجام ترانسديوسر مذكور ساخته و تست شده‌است تا داده‌هاي تئوري به‌دست‌آمده با نتايج تجربي اعتبار سنجي شوند. نتايج حاصل از آزمايش‌هاي تجربي نشان مي‌دهد كه شبيه‌سازي انجام شده در نرم‌افزار كامسول مولتي ‌فيزيك، با دقت مناسبي توانسته است فركانس رزونانس و بيشترين پاسخ ولتاژ ارسالي ترانسديوسر پهن‌باند مورد نظر را پيش‌بيني كند. خطاي مدل‌سازي سه بعدي انجام شده در پيش‌بيني فركانس رزونانس و بيشترين پاسخ ولتاژ ارسالي، به ترتيب 3.8% و 5.7% است. استفاده از روش‌هاي پارامتر متمركز و مدار معادل الكتريكي هرچند تقريب اوليه‌اي براي ابعاد ترانسديوسر به دست مي‌دهد ولي در تعيين فركانس رزونانس و محل رخ دادن بيشترين پاسخ ولتاژ ارسالي درصد خطاي بيشتري نسبت به شبيه‌سازي المان محدود دارد.

Knowledge of broadband transducers is a new technology in the field of sonar science. Considering that Iran has sea water resources, its importance becomes more and more. In this article, after studying the performance of the kinds of transducers in the field of sonar transducers, a proper broadband transducer with the specific impedance and acoustical characteristics that can send and receive signals, is designed, simulated, fabricated and tested. At first, overall dimension of a broadband transducer with lumped parameter model and electrical equivalent circuit model was approximated and then, with increasing the degrees of freedom of analytical models, all characteristics of the optimum transducer parts were obtained in order to have a large bandwidth. By using a finite element software (COMSOL Multiphysics), the designed model was simulated and the obtained results have been compared with analytical design solution. Finally, the transducer was fabricated and tested in order to the modeled and simulated data be validated with practical ones. The obtained experimental results showed that the simulation with COMSOL Multiphysics can predict the resonance frequency and maximum transmitting voltage response (TVR) of the broad bandwidth transducer with a reasonable precision. The prediction error of resonance frequency and maximum TVR by COMSOL is 3.8% and 5.7%, respectively. The use of lumped parameter and electrical equivalent circuit models, however, gives an initial approximation for transducer dimensions, but in determination of the resonance frequency and the frequency of maximum TVR has a higher error in comparison with the finite element method.