Simulation von Piezos zur akustischen Teilchendetektion

Präsentation zum Thema: "Simulation von Piezos zur akustischen Teilchendetektion"—  Präsentation transkript:

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

2 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

3 Anforderung an Hydrophone zur akustischen Detektion
Hohe Empfindlichkeit für das erwartete Signal (~ 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

4 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

5 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

6 Mechanische Schwingung
Wie verhält sich der Piezo bei Anlegen einer Sinusspannung? Beispiel: Eine Scheibe bei Anlegen einer 20kHz Spannung Nutze Symmetrie der Scheibe K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

7 Mechanische Schwingung
Am Beispiel einer Scheibe mit r=7.5mm, d=5mm Polarisation des Piezos z=2.5mm r=7.5mm K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

8 Analyse der mechanischen Schwingung
Betrachte den obersten Punkt auf der z-Achse Simulation Messung K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

9 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

10 Aufbau des Fabry Perot Interferometers
Mehrfachreflexionen zwischen Messobjekt und Faserende K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

11 Aufbau des Fabry Perot Interferometers
K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

12 Auslenkung eines Piezos
K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

13 Auslenkung desselben Piezos mit Hülle
K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

14 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

15 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

16 Variation der Materialdicke
kleine Variation macht relativ große Effekte K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

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

18 Simulation und Messung der Impedanz
~1/f K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

19 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

20 Simulation und Messung der Richtcharakteristik
Simulation beim Senden Messung bei Empfang (Asymmetrie wegen Verstärker) K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

21 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

22 Danke für Ihre Aufmerksamkeit
K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

23 Interessante Hydrophon Layouts für ANTARES
Glass Kugel Piezos mit Hülle K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

24 Signalnachweis mit der Glaskugel
Geschwindigkeitspotential vorgeben K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

25 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

26 Simulation und Messung der Impedanz
Verschiebung der Resonanzfrequenz durch dickere Piezoelemente K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004