Development of flextensional transducer for underwater acoustic applications

Abstract

This thesis presents a novel design for a low frequency underwater electro-acoustic projector element based on the Class V Flextensional transducer. Although Class V Flextensional transducers are typically used in medium and high frequency ultrasonic and medical applications, they have not been adapted for low frequency underwater acoustic applications (f < 10 kHz) due to manufacturing and assembly challenges. To address this need, smaller piezoelectric components compared to traditional Class V Flextensional transducers are utilized, and a segmented octagonal stack assembly structure along with a complementary cap design is developed. The design, modeling, simulations, prototyping, and characterization activities for the segmented Class V Flextensional transducer element are carried out. Simulations are conducted using Finite Element Analysis (FEA) method in OnScale software, and the produced prototype is characterized in the open test tank of TÜBİTAK MAM Underwater Acoustic Laboratory. A strong agreement is observed between the simulation data and measurement results in the frequency range of 1 kHz to 11 kHz. For frequencies below 1 kHz, a new technique for free-field calibration of underwater acoustic transducer elements is introduced into the literature by applying the Two Equations - Two Unknowns (2E-2U) method. This lightweight and dimensionally compact transducer design, relative to its operating frequency, can be used to meet the low-frequency projector needs of stationary and mobile underwater platforms. For beam steering and higher sound pressure levels, planar array structures with N x N or M x N elements can be created using this design. This thesis comprehensively examines the process from concept design to the characterization of the final product and details its unique features.Bu tez, Sınıf V Esnek Gerilmeli (Flextensional) transdüser uygulamalarına yönelik düşük frekanslı bir sualtı elektro-akustik projektör elemanı için yenilikçi bir tasarım sunmaktadır. Sınıf V Esnek Gerilmeli transdüserler genellikle orta ve yüksek frekanslı ultrasonik ve tıbbi uygulamalar için kullanılsa da üretim ve montaj zorlukları nedeniyle düşük frekanslı sualtı akustik uygulamalarına (f < 10 kHz) uyarlanamamıştır. Bu ihtiyacı karşılamak için, geleneksel Sınıf V Esnek Gerilmeli transdüserlere kıyasla daha küçük piezoelektrik bileşenlerin kullanılması sağlanmış, segmentlere ayrılmış sekiz köşeli (octogonal) yığın montaj yapısı ve tamamlayıcı bir kapak tasarımı geliştirilmiştir. Segmentlere ayrılmış Sınıf V Esnek Gerilmeli transdüser elemanının tasarımı, modellenmesi, simülasyonları, prototiplenmesi ve karakterize edilmesi faaliyetleri gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) metodu kullanılarak OnScale yazılımda gerçekleştirilmiş, üretilen prototip TÜBİTAK MAM Sualtı Akustik Laboratuvarı'nın açık test tankında karakterize edilmiştir. 1 kHz ile 11 kHz arasındaki ölçüm sonuçları ile simülasyon verileri arasında güçlü bir uyum görülmüştür. 1 kHz altı frekans bölgesi için İki Denklem - İki Bilinmeyen (2E-2U) yöntemi uygulanarak sualtı akustik transdüser elemanlarının serbest alan kalibrasyonlarına yönelik yeni bir teknik literatüre kazandırılmıştır. Bu hafif ve çalışma frekansına göre boyutsal olarak küçük transdüser tasarımı, sabit ve mobil sualtı platformlarındaki düşük frekans projektör ihtiyacına yönelik kullanılabilir. Işın yönlendirilmesi ve daha yüksel ses basınç seviyesi için bu tasarım kullanılarak N x N veya M x N elemanlı düzlemsel dizin yapısı oluşturulabilir. Bu tez, konsept tasarımdan nihai ürünün karakterizasyonuna kadar olan süreci kapsamlı bir şekilde incelemekte ve özgün özelliklerini detaylı bir şekilde açıklamaktadır.