Esnek gerilmeli dönüştürücü tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve uygulamaları

Abstract

Dönüştürücüler bir enerji formunu başka bir enerji formuna çeviren aygıtlardır. Sualtı akustik uygulamalarında elektro akustik dönüştürücüler kullanılmaktadır ve en yaygın olarak kullanılan türü piezoelektrik dönüştürücülerdir. 100 kHz'ten daha düşük frekans değerlerinde bir piezoelektrik dönüştürücünün çalışması gerektiğinde, dönüştürücünün arzu edilen ölçüde akustik bir çıkış gücü açığa çıkarması ancak çok yüksek şekil değişimi sergilemesiyle mümkün olmaktadır. Bir piezoseramiğin tek başına sergileyebileceği maksimum şekil değişimi ise %0.1-0.2 aralığında olduğundan bu şekil değişimini yükseltici bir takım akılcı tasarımların meydana getirilmesi gerekmektedir. Bu tasarımlardan biri olan esnek gerilmeli dönüştürücüler, piezoelektrik seramik ana dönüştürücü bileşeninin; metal bir kabuk ile birleştirilmesinden oluşmaktadır ve kendi içinde 7 sınıfa ayrılmaktadır. Bu tez çalışmasında sınıf V türünde esnek gerilmeli dönüştürücü, mevcut tasarımlardan farklı ve özgün bir esnek gerilmeli dönüştürücü ATILA sonlu elemanlar analiz (SEA) yazılımı kullanarak geliştirmiştir. Tasarım safhasında, seramik kalınlığı, metal kabuk türü, metal kabuk kalınlığı gibi parametreler denenmiş ve sonuçları tartışılmıştır. Seramik bileşen yüksek performans sergileyen piezoseramik kompozisyonları (PZN-PZT, PNN-PZT gibi) kullanılarak konveks bir şekle sahip olacak şekilde üretilmiştir. Dönüştürücünün metal bileşeni ise, seramik kabuğun simetriği olacak biçimde tek eksenli pres kullanılarak şekillendirilmiştir. Ayrıca piezoseramik bileşenlerin elektriksel karakterizasyonları yapılmış ve özellikler matrisi, IEEE piezoelektrik standardına göre rezonans tekniği kullanılarak alınan ölçüm sonuçlarına göre hesaplanmıştır. Elde edilen matrisler ATILA (SEA) programına girilmiştir. Daha sonra deneysel bulgular ve hesaplama sonuçları kıyaslanmış ve doğrulanmıştır. Bu veriler dönüştürücü tasarım sürecinde kullanılmıştır. Üretilmiş olan esnek gerilmeli dönüştürücülerin hava ortamı karakterizasyonu 1-300 kHz frekans aralığında ve sualtı karakterizasyonları ise 1-120 kHz frekans aralığında yapılmıştır. Elde edilen bulgular tez içerinde sunulmuş ve detaylı olarak tartışılmıştır.

Transducers are devices that convert an energy form into another form of energy. Electroacoustic transducers are used in underwater acoustic applications and the most commonly used type is piezoelectric transducers. When a piezoelectric transducer needs to be operated at frequencies less than 100 kHz, it is possible that the transducer will produce a desired acoustic output power only with very high deformation. Since the maximum displacement in the piezoceramic materials is in the range of 0.1-0.2%, it is necessary to create rational designs that amplifies displacement level. Flextensional transducers is one of these designs and it consists of a piezoelectric ceramic as main drive element with a metal shell and is divided into 7 sub classes. In this thesis, novel and unique class V type flextensional transducer was developed using ATILA finite element analysis (FEA) software. In the design stage, parameters such as ceramic thickness, metal shell type, metal shell thickness were studied, and the results were discussed. Ceramic component of the transducer was fabricated to have a convex shape using high performance piezoceramic compositions (PZN-PZT, PNN-PZT etc.). The metal component of the transducer was shaped using the uniaxial press to be the symmetrical with the ceramic shell. In addition, electrical characterizations of the piezoceramic components were done and the properties matrix' were calculated from the measurement results that obtained using the resonance technique according to the IEEE standard of piezoelectricity. The property matrix' were used to as input for ATILA (SEA) software. Then, experimental results and calculation results were compared and were verified. Later, these data were used in the transducer design process. In air characterization of the fabricated transducers is in the frequency range of 1-300 kHz and the underwater characterization were made in the frequency range of 1-120 kHz. The results of the work were presented in the thesis and discussed in detail.