良好的振动

作者:美国康宁公司高级项目工程师余超，Ansys公司技术支持工程师刘辉

从消费电子产品到医疗设备，许多智能产品的应用都依赖于通过玻璃有效地传递声波振动。这个挑战?使玻璃足够薄，可以准确地传输超声波，同时结构足够坚固，可以承受日常使用。康宁工程师在开发智能、创新的玻璃解决方案时，依靠Ansys的多种解决方案来平衡声学和机械性能。

从汽车、飞机到住宅窗户，玻璃已经是许多消费产品的核心部件，在当今许多智能产品中发挥着关键作用。消费电子产品通常以显示器和触摸屏为特色，它们不仅传递信息，还充当用户控制功能。医疗设备经常依靠玻璃来显示、交流和指导高级成像程序的结果。

虽然智能产品的应用多种多样，但许多都依赖于玻璃将声波超声波从玻璃的一侧(用户或“控制”一侧)精确传输到另一侧(接收器收集和处理信号)的能力。

在这些应用中，玻璃基板必须足够薄以准确地传递超声波振动，足够厚以承受日常使用，结构上足够坚固以承受意外冲击。此外，为了跟上消费者的需求，它通常必须尽可能地轻量化。

在为智能产品应用开发先进玻璃解决方案的过程中，康宁的工程团队每天都面临着平衡这些相互竞争的需求的挑战。工程师必须提供经过验证的、准确的解决方案，但他们必须迅速做到这一点，以满足客户雄心勃勃的推出目标。

建立在成功的良好记录之上

几十年来，康宁工程师一直依靠Ansys的仿真解决方案来应对这类复杂的产品设计挑战。例如，康宁开发团队通过开发基于ansys气动和振动声学分析的新型技术玻璃，帮助汽车客户大幅降低了玻璃重量，同时保持了车内的噪音水平(见“汽车噪音之窗”,Ansys的优势V12 I1)。

为了解决有效地通过玻璃发送超声波的问题，该团队进行了应用Ansys机械评估玻璃的声载荷、振动、结构强度、变形和其他一系列机械性能。

为了确保这些模拟能够快速进行，并与其他产品开发流程集成，团队使用Ansys机械声学．该解决方案使康宁能够开发定制的、统一的仿真工作流程，集成所有Ansys技术和其他工程工具。其结果是更清晰和更准确的权衡，更快和更好的决策，并提高员工的生产力。

最小化声阻抗:一个恰当的案例

最近，康宁的产品开发团队使用Ansys Mechanical和Ansys Mechanical Acoustic的组合来建模和评估针对客户特定应用的新玻璃配置。玻璃结构由胶粘剂层组成，夹在两块玻璃基板之间。康宁的工程师们需要模拟和预测这种结构如何以最小的损失传输声波超声波。

这要求研究小组研究新玻璃结构的声阻抗，或玻璃堆对发射超声波的阻力。对于特定的客户应用，任何声音传输损失都将是灾难性的，会干扰最终产品的核心功能。工程师们需要评估特征阻抗(材料在整个表面的固有电阻)和比阻抗(材料在其表面某些临界点的电阻测量)。这两种类型的分析都需要优化性能。

为了确定阻抗，在Ansys Mechanical Acoustic软件中建立了数值模型;该模型包括一个精确超声频率在10 ~ 20 MHz之间的平面波源，以及各向同性材料堆。粘合剂被当作固体处理;在阻抗计算中考虑了其弹性特性。

为了解决单个产品层的任何限制或弱点，在Ansys Mechanical Acoustic中开发了组件级和系统级模型。系统级模型只需要工程师定义源表面和负载表面的边界条件，而组件级模型使工程师能够一次定义和研究一个基板层。当工程师完成每一层的模拟时，阻抗结果成为后续每一层的边界条件。

为了测试玻璃在一系列实际操作条件下的性能，对模型施加了各种声音载荷。通过在模拟过程中改变声压、声速和功率强度，康宁工程师可以确定不同负载对阻抗的影响。当消费者使用时，外层玻璃表面可以与空气、固体或两者的混合接触——所有这些都能够产生声能。开发团队需要评估这种能量(无论是有意还是无意地应用)如何影响产品性能。

一个特别的考虑是，玻璃需要对施加在其外表面的环形载荷做出适当、准确和可靠的响应。这与最终产品的核心功能有关。这种环形载荷可能以不均匀的方式分布在玻璃上，但产品必须可靠而均匀地响应。这使得问题更加复杂，因为功率强度和阻抗在模拟过程中不再是常数。Ansys解决方案能够很容易地满足这一要求，并复制所需的物理条件。

智能未来的信号

由于康宁工程师计算了新玻璃产品在不同条件下的波传播和声阻抗，他们能够通过解决任何阻力来源来优化其性能并将阻抗降至最低。通过改变玻璃的成分、材料厚度和方向以及玻璃堆的其他属性，工程师开发出了最终的优化产品，以满足客户对智能产品应用的苛刻要求。

康宁团队意识到，每个玻璃组件都有一个独特的声学特征，即一致的频率和阻抗。对于给定的超声波频率，该团队能够优化材料属性，以最大化声波通过玻璃组件的传输，以及声波从加载表面返回到玻璃的信号检测侧。

这个通过堆叠玻璃基板精确发射超声波的问题是该客户独有的，但它代表了智能产品设计中涉及的复杂物理问题。随着智能产品的不断发展，Ansys仿真使康宁能够快速准确地应对高级客户挑战，并支持持续创新和快速产品发布。