Modellazione multi-fisica ad elementi finiti di piastre stratificate con attuazione piezoelettrica per l'emissione di segnali ad ultrasuoni

The thesis concerns the modelling and simulation of a piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer with electro-mechanical-acoustic coupling. Starting from a design of the device given by the company STMicroelectronics, we studied the acoustic efficiency for different configurations. To describe the multi-physics problem we used the governing equations for the electromechanical problem of piezoelectric layered plates and the fluid-structure interaction for harmonic oscillations of a solid body inserted into the fluid domain, described by the linearized Navier-Stokes equations, from which we obtained the wave equation for the acoustic problem. In the first part of this work, the results, obtained by simulations with the software ANSYS Academic 17.2, refer to an 2-D axisymmetric model with just electro-mechanical coupling for a comparison with the results carried out with the software COMSOL Multiphysics 5.2. Then we performed a 3-D modelling of the whole membrane with electro-mechanical-acoustic coupling. In the last section, we made a 3-D model of the whole device with sixteen membranes and different configurations of the protective package. Analysing the Sound Pressure Level (SPL) we studied the acoustic efficiency of the device at the reference distance 3.5 cm, on the vertical axis of the transducer. The comparison between a single membrane and a whole device with sixteen membranes exhibits value of SPL, at the reference distance, higher in the second case. The results obtained for models with protective package show that the acoustic waves are damped by the package; damping could be reduced if we consider the presence of holes on the package in different configurations. Final considerations are about the possibility to use different finite elements formulations for modelling to reduce the computational burden and consider the frequency response of the device on a wider range.

La presente tesi tratta la modellazione e la simulazione di un micro-trasduttore ultrasonico piezoelettrico con accoppiamento elettro-meccanico-acustico. Facendo riferimento ad un progetto del dispositivo fornito dall'azienda STMicroelectronics, ne sono state indagate le prestazioni di efficienza acustica in diverse configurazioni. Per descrivere il problema multifisico sono state impiegate le leggi che governano il problema elettro-meccanico per piastre laminate piezoelettriche e l'interazione fluido-struttura per oscillazione armonica della parte solida all'interno di un dominio fluido governato dalle equazioni di Navier-Stokes linearizzate, da cui si ricava l'equazione delle onde che caratterizza il problema acustico. I risultati, ottenuti da simulazioni effettuate con il software commerciale ANSYS Academic 17.2, fanno riferimento ad un primo modello 2-D assialsimmetrico con solo accoppiamento elettro-meccanico per un confronto con altre simulazioni realizzate con software commerciale COMSOL Multiphysics 5.2. Si è passati poi ad una modellazione 3-D della membrana completa con accoppiamento elettro-meccanico-acustico. Infine, è stato realizzato un modello 3-D di un dispositivo completo contenente sedici membrane con diverse configurazioni di rivestimento protettivo. I risultati di interesse riguardano il Livello di Pressione Sonora (SPL), così da poter indagare l'efficienza acustica del dispositivo in un punto posto alla distanza di 3,5 cm, sull'asse verticale del trasduttore. Dal confronto tra singola membrana e dispositivo costituito dall'insieme di membrane, il valore di SPL nel punto di riferimento aumenta in maniera significativa nel secondo caso. I risultati ottenuti per modelli con rivestimento protettivo mostrano come questo comporti uno smorzamento importante della propagazione ondosa, che può essere in parte limitato dalle diverse soluzioni di foratura proposte per il rivestimento. Le considerazioni finali riguardano la possibilità di adottare soluzioni alternative per gli elementi finiti utilizzati nella modellazione, così da ridurre i tempi di calcolo e permettere analisi in frequenza su intervalli più ampi.