Astroteilchenschule Obertrubach der Universität Erlangen Oktober 2004 Simulation von Piezos zur...

Astroteilchenschule Obertrubachder Universität Erlangen

Oktober 2004

Simulation von Piezos zur akustischen Teilchendetektion

Karsten Salomon

Universität Erlangen-Nürnberg

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Das thermoakustische Modell

• Neutrino tritt mit Nukleon in Materie (=Wasser) in Wechselwirkung

• Hadronische und/oder elektromagnetische Kaskade

• Energie wird entlang der Kaskade im Wasser deponiert

• Energiedeposition --> Wasser wird erhitzt

• Wasser dehnt sich aus --> Bipolares Schallsignal

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Anforderung an Hydrophone zur akustischen Detektion

• Hohe Empfindlichkeit für das erwartete Signal (~ 10-50 kHz)

• Rauscharm, um kleine Signale zu beobachten

• Richtungssensitivität, um Information über den Ort zu erhalten

• Druckresistenz in der Tiefsee

• Geringe Kosten

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Piezoelektrischer Effekt

• Bewegungsgleichungen von Piezos sind kompliziert (gekoppelte DGL eines anisotropen Materials):– Hook´sches Gesetz +elektr. Kopplung– Gauß´sches Gesetz +mechanische Kopplung

• Wahl der Finiten Elemente Methode, um diese partiellen DGL zu lösen.

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Die Finite Elemente Methode

• Numerisches Verfahren zur Lösung von DGL mit Randwertproblem

• Gebiete werden in Finite Elemente aufgeteilt

• Innerhalb des Finiten Elementes werden Ansatzfunktionen definiert

• Linearkombination dieser Ansatzfunktion liefert mögliche Lösungen innerhalb eines Elementes

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

• Wie verhält sich der Piezo bei Anlegen einer Sinusspannung?

• Beispiel: Eine Scheibe bei Anlegen einer 20kHz Spannung

• Nutze Symmetrie der Scheibe

Mechanische Schwingung

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Mechanische Schwingung

• Am Beispiel einer Scheibe mit r=7.5mm, d=5mm

r=7.5mm

z=2.5mm

Polarisation des Piezos

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Analyse der mechanischen Schwingung

• Betrachte den obersten Punkt auf der z-Achse

Simulation Messung

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Direkte Messung der Auslenkung eines Piezos mit und ohne Hülle

• Fabry Perot, um die Auslenkung zu messen

• Verständnis, wie die Hülle das Hydrophon beeinflusst

• Messung wurde mit und ohne Hülle durchgeführt

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Aufbau des Fabry Perot Interferometers

• Mehrfachreflexionen zwischen Messobjekt und Faserende

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Aufbau des Fabry Perot Interferometers

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Auslenkung eines Piezos

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Auslenkung desselben Piezos mit Hülle

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Auslenkung desselben Piezos mit Hülle

• Unterschiede wegen Unsicherheit in der Materialdicke

• Die Absolutposition des Piezos in der Hülle ist unbekannt

• Keine Axialsymmetrie - schief eingegossener Piezo?

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Piezo mit verschiedenen Hüllendicken

• Kleine Änderungen in der Materialdicke führt zu großen Änderungen der Resonanzfrequenz

• einige mm Unterschied resultiert in einigen kHz Frequenzverschiebung

a

b

c

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Variation der Materialdicke

• kleine Variation macht relativ große Effekte

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Simulation und Messung der Impedanz von Piezos

• Motivation: Test der Simulation und Verständnis der elektrischen Eigenschaften der Piezos

• Simulation– Gebe Ladungspuls auf Piezo.– Berechne Spannungsantwort. – Impedanz ergibt sich im Fourierraum zu:

)(Q

)(

)(

)()(

i

U

I

UZ

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Simulation und Messung der Impedanz

~1/f

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Simulation und Messung der Richtcharakterisitik

• Ankopplung der Piezoschwingungen an Wasser

• Schallfeld bei Senden von 20kHz Sinus Nach 20µs Signal:

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Simulation und Messung der Richtcharakteristik

Simulation beim Senden Messung bei Empfang(Asymmetrie wegen Verstärker)

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Zusammenfassung

• Zusammenfassung:

– Simulation von Piezos und Bestätigung anhand von Messungen

– Einfluss der Hülle auf das System wurde gezeigt

– Signalausbreitung in Wasser

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Interessante Hydrophon Layouts für ANTARES

• Glass Kugel

• Piezos mit Hülle

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Signalnachweis mit der Glaskugel

• Geschwindigkeitspotential vorgeben

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Ergebnisse mit der Glaskugel

• Das integrierte Signal wird gesendet damit das erwartete bipolare Drucksignal resultiert

• Simulation des Spannungsabfalls am Piezo

• gemessenes Signal (rot) Drucksignal (grün)

K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

Simulation und Messung der Impedanz

• Verschiebung der Resonanzfrequenz durch dickere Piezoelemente