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Astroteilchenschule Obertrubachder Universität Erlangen
Oktober 2004
Simulation von Piezos zur akustischen Teilchendetektion
Karsten Salomon
Universität Erlangen-Nürnberg
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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
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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
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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.
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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
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• Wie verhält sich der Piezo bei Anlegen einer Sinusspannung?
• Beispiel: Eine Scheibe bei Anlegen einer 20kHz Spannung
• Nutze Symmetrie der Scheibe
Mechanische Schwingung
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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
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Analyse der mechanischen Schwingung
• Betrachte den obersten Punkt auf der z-Achse
Simulation Messung
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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
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Aufbau des Fabry Perot Interferometers
• Mehrfachreflexionen zwischen Messobjekt und Faserende
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Aufbau des Fabry Perot Interferometers
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Auslenkung eines Piezos
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Auslenkung desselben Piezos mit Hülle
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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?
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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
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Variation der Materialdicke
• kleine Variation macht relativ große Effekte
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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
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Simulation und Messung der Impedanz
~1/f
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Simulation und Messung der Richtcharakterisitik
• Ankopplung der Piezoschwingungen an Wasser
• Schallfeld bei Senden von 20kHz Sinus Nach 20µs Signal:
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Simulation und Messung der Richtcharakteristik
Simulation beim Senden Messung bei Empfang(Asymmetrie wegen Verstärker)
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Zusammenfassung
• Zusammenfassung:
– Simulation von Piezos und Bestätigung anhand von Messungen
– Einfluss der Hülle auf das System wurde gezeigt
– Signalausbreitung in Wasser
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit
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Interessante Hydrophon Layouts für ANTARES
• Glass Kugel
• Piezos mit Hülle
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Signalnachweis mit der Glaskugel
• Geschwindigkeitspotential vorgeben
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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)
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Simulation und Messung der Impedanz
• Verschiebung der Resonanzfrequenz durch dickere Piezoelemente