Sualtı derinlik tespiti için iskandil sonarı dönüştürücü tasarımı, geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Design, development and characterization of a sounding sonar transducer for underwater depth detection
Yazar: MÜNÜR MERT KIRAÇ
Danışman: PROF. DR. SEDAT ALKOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Piezoelektrik malzemeler = Piezoelectric materials ; İskandil = Sounding lead

Özet:
Bu çalışmada, sualtı derinlik tespiti için iskandil sonarı üretiminin tüm akademik araştırma ve üretim süreçleri incelenmektedir. Odaklanılan konular; optimizasyon ve sonar üretimindeki üretim aşamalarının optimizasyon yaklaşımları ve bunların nasıl etkili olabileceği, sensör verilerinin kalitesini en üst düzeye çıkarmak için bir araya getirilmiştir. Amaç, monoküler veya derinlik sensörü ile donatılmış bir sonar üretimi yaparak, üretim sürecinde bulunacak kişi ve kurumlarla etkileşime girmektir.
İskandil sonarları, sualtı akustiği uygulamalarında en yaygın olarak kullanılan sonar sistem tipidir. Buna rağmen, piezoelektrik türdeki sonar üretimine yol gösteren bir kaynak literatürde bulunmamaktadır. Bu çalışma, iskandil sonar üretimi için sistematik bir tasarım yolu sunarak literatürdeki bu açığı doldurmayı hedeflemektedir.
Tasarım metodolojisi olarak, özellikle piezoelektrik malzemeler ve elektroakustik dönüştürücülerin tasarımı ve analizi için geliştirilmiş ticari ATILA sonlu elemanlar analiz programı kullanılmıştır. Temel tasarım parametreleri olarak, 10 mm kalınlıkta PZT5A bileşiminde ticari piezoseramik, 17 mm kalınlıkta çelik arka kütle, toplam 33 mm poliüretan kaplaması ve ⌀50 mm çapında bir dönüştürücü tasarımı sabit tutulmuştur. Temel değişken olarak ise piezoelektrik seramiklerin geometrisi, çapları, yerleşimi ve sayısı değiştirilmiştir. İncelenen temel geometriler; farklı çaplarda disk (⌀25 mm, ⌀30 mm, ⌀35 mm) Halka (⌀36 mm dış - ⌀ 18 mm iç çap) ve tek bir piezoelektrik malzeme haricinde aynı sonar içerisine çoklu (⌀36 mm dış - ⌀ 18 mm iç çapa sahip piezoseramik halka içerisine ⌀10 mm piezoseramik disk, ⌀10 mm eşit aralıklı dizilmiş 7 adet piezoseramik disk, ⌀6,89 mm eşit aralıklı dizilmiş 19 adet piezoseramik disk) yapılarından oluşmaktadır. Sonlu elemanlar yazılımdan oluşturulan geometriler ince mesh yapısına bölünmüş, sınır koşulları tanımlanarak analizini yapılmış ve rezonans frekansları ve bant genişliği incelenmiştir. Hangi tasarımda daha yüksek elektroakustik performans elde edildiği incelenmiştir. 100 kHz – 200 kHz bandında ve düşük çaplı, çok adetli piezoelektrik ile çalışmanın daha yüksek admitans şiddeti ve bant genişliği sağladığı gözlemlenmiştir.
Takip eden süreçte de sonlu elemanlar analizinden alınan sonuçların karşılaştırılması amacıyla deneysel bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Ticari piezoelektrik seramik tozları çelik kalıplar içerisinde preslenerek, tasarımı yapılan geometrilerde seramik parçalar şekillendirilmiş, yüksek sıcaklıkta sinterlenen seramiklerin yüzeyleri lapping işlemi ile düzeltilmiş, paralel yüzeyleri gümüş katmanlar ile elektrotlanmış ve kutuplanmıştır. Farklı geometrilerde ve boyutlarda üretilen piezoseramikler, tasarlanan şekilde dizilerek poliüretan ile kaplanmış ve ölçümleri yapılarak sonuçlar sonlu elemanlar analizinde alınan sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

Abstract:
This study examines the entire academic research and manufacturing process of echosounding sonar production for underwater depth detection. The focus is on optimization and optimization approaches of the production stages in sonar manufacturing and how they can be effective, combined to maximize the quality of the sensor data. The aim is to produce a sonar equipped with a monocular or depth sensor and to interact with the people and organizations that will be involved in the production process.
Echosounding sonars are the most widely used type of sonar system in underwater acoustic applications. Despite this, there is no reference in the literature to guide the production of piezoelectric type sonar. This study aims to fill this gap in the literature by presenting a systematic design path for echosounding sonar fabrication.
As a design methodology, the commercial ATILA finite element analysis program, specifically developed for the design and analysis of piezoelectric materials and electroacoustic transducers, is used. As basic design parameters, a 10 mm thick commercial piezoceramic in PZT5A composition, a 17 mm thick steel back mass, a total polyurethane coating of 33 mm and a transducer design with a diameter of ⌀50 mm were kept constant. The geometry, diameters, placement and number of piezoelectric ceramics were varied as the main variables. The basic geometries investigated were; disc of different diameters (⌀25 mm, ⌀30 mm, ⌀35 mm) ring (⌀36 mm outer - ⌀18 mm inner diameter) and multiple (⌀10 mm piezoceramic disc inside a piezoceramic ring with ⌀36 mm outer - ⌀18 mm inner diameter) in the same sonar except for a single piezoelectric material, It consists of 7 piezoceramic discs (⌀10 mm evenly spaced) and 19 piezoceramic discs (⌀6.89 mm evenly spaced). The geometries created from the finite element software were divided into a fine mesh structure, boundary conditions were defined and analyzed, and resonant frequencies and bandwidth were examined. It is analyzed which design provides higher electroacoustic performance. In the 100 kHz - 200 kHz band, it was observed that working with low diameter, multiple piezoelectric devices provided higher admittance intensity and bandwidth.
Subsequently, an experimental study was carried out to compare the results obtained from finite element analysis. Commercial piezoelectric ceramic powders were pressed in steel molds, ceramic parts were shaped in the designed geometries, the surfaces of the ceramics sintered at high temperature were smoothed by lapping process, parallel surfaces were electrodeposited with silver layers and polarized. The piezoceramics produced in different geometries and sizes were coated with polyurethane by arranging them as designed and the results were measured and compared with the results obtained in finite element analysis.