A design and size of the membrane module package have a significant impact on its characteristics. It is necessary to use the finite element modeling calculation of the frequency response of the membrane module membrane due to complexity of the package design. In this study the method of the thin dielectric membrane modeling by means of the structural and acoustic analysis in the ANSYS software has been proposed. This method permits to perform the calculation taking into account the influence of the front and back chambers sizes. The dependences of resonance frequency of the front chamber and back chamber on its geometric sizes have been obtained. It has been shown that with the back chamber size increasing, the value of the membrane sensitivity approaches to its parameters in the open space and with the account of the front and back chambers. The membrane modules frequency response comparison has been performed and has been shown that the presence of the front and back chambers significantly affects the values of the resonance frequency and sensitivity. The method of setting resilient stresses in the membrane using thermal impact has been used. The complicatedly deformed state of the membrane, called the buckling effect, has been obtained. The calculation of the dielectric membrane with an account of the buckling effect has been executed. The analysis of the obtained results has been performed and it has been shown that the calculated sensitivity of the membrane with an account of the buckling effect have a good coincidence with the measurements results. The proposed method enables to calculate the membrane module frequency response with an account of impact of the package design peculiarities and also, to take into account the residual stresses in the membrane. The use of the structural-acoustic analysis enables to achieve more accurate results while calculating the membrane frequency response, which increases the efficiency of the acoustic pressure transducers designing, and ensures an achievement of the product optimal characteristics.
Размеры и конструкция корпуса мембранного модуля оказывают значительное влияние на его характеристики. Из-за сложности конструкции корпуса для расчета амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) мембраны мембранного модуля необходимо использовать конечно-элементное моделирование. В работе предложен способ моделирования тонкой диэлектрической мембраны в составе мембранного модуля с использованием структурно-акустического анализа в программном комплексе ANSYS. Данный метод позволяет проводить расчет с учетом влияния размеров надмембранного и подмембранного объемов. Получены зависимости резонансной частоты надмембранного объема от его геометрических размеров. Показано, что с увеличением размера подмембранного объема чувствительность мембраны приближается к значению в открытом пространстве. Проведено сравнение АЧХ мембранных модулей и показано, что наличие надмембранного и подмебранного объемов значительно влияет на значения резонансной частоты и чувствительности. Использован способ задания остаточных напряжений в мембране с помощью термического воздействия. Выполнен расчет чувствительности диэлектрической мембраны с учетом эффекта буклетирования. Проведен анализ полученных результатов и показано, что чувствительность мембраны, рассчитанная с учетом эффекта буклетирования, имеет хорошее совпадение с результатами измерений. Предложенный способ позволяет рассчитывать АЧХ мембранного модуля с учетом влияния конструктивных особенностей корпуса, а также остаточных механических напряжений в мембране. Использование структурно-акустического анализа дает возможность добиться более точных результатов при расчете АЧХ мембраны, что повысит эффективность проектирования преобразователей акустического давления и обеспечит достижение оптимальных характеристик изделия.