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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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