Astroteilchenschule Obertrubach der Universität Erlangen Oktober 2004 Simulation von Piezos zur akustischen Teilchendetektion Karsten Salomon Universität

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


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


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.


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


• Wie verhält sich der Piezo bei Anlegen einer Sinusspannung?

• Beispiel: Eine Scheibe bei Anlegen einer 20kHz Spannung

• Nutze Symmetrie der Scheibe

Mechanische Schwingung


Mechanische Schwingung

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

r=7.5mm

z=2.5mm

Polarisation des Piezos


Analyse der mechanischen Schwingung

• Betrachte den obersten Punkt auf der z-Achse

Simulation Messung


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


Aufbau des Fabry Perot Interferometers

• Mehrfachreflexionen zwischen Messobjekt und Faserende


Aufbau des Fabry Perot Interferometers


Auslenkung eines Piezos


Auslenkung desselben Piezos mit Hülle


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?


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


Variation der Materialdicke

• kleine Variation macht relativ große Effekte


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


Simulation und Messung der Impedanz

~1/f


Simulation und Messung der Richtcharakterisitik

• Ankopplung der Piezoschwingungen an Wasser

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


Simulation und Messung der Richtcharakteristik

Simulation beim Senden Messung bei Empfang(Asymmetrie wegen Verstärker)


Zusammenfassung

• Zusammenfassung:

– Simulation von Piezos und Bestätigung anhand von Messungen

– Einfluss der Hülle auf das System wurde gezeigt

– Signalausbreitung in Wasser


Danke für Ihre Aufmerksamkeit


Interessante Hydrophon Layouts für ANTARES

• Glass Kugel

• Piezos mit Hülle


Signalnachweis mit der Glaskugel

• Geschwindigkeitspotential vorgeben


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)


Simulation und Messung der Impedanz

• Verschiebung der Resonanzfrequenz durch dickere Piezoelemente

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