Ротте Сергій Вікторович. Вдосконалення асиметричних біморфних випромінюючих п'єзокерамічних перетворювачів

brief description

Ротте Сергій Вікторович. Вдосконалення асиметричних біморфних випромінюючих п'єзокерамічних перетворювачів: дисертація канд. техн. наук: 05.13.05 / Черкаський держ. технологічний ун-т. - Черкаси, 2003

Ротте С.В. Вдосконалення асиметричних біморфних випромінюючих п’єзокерамічних перетворювачів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05.- елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2003.
Дисертаційна робота присвячена розробці методів проектування асиметричних біморфних випромінюючих п’єзокерамічних перетворювачів (АБВПП) і створенню на цій основі конкурентноздатних зразків такого виду продукції.
У дисертації побудовані і досліджені математичні моделі плоских АБВПП, а також об’ємних конструкцій на їх основі.
На зразках досліджені такі електроакустичні характеристики перетворювачів як АЧХ, коефіцієнт підсилення по напрузі, діаграми спрямованості.
Для моделей застосований метод введення просторового електромеханічного зворотного зв’язку в схему з АБВПП. Це дозволяє згладити їх АЧХ і, відповідно, розширити частотний діапазон.
Теоретично обґрунтований вибір умов роботи перетворювачів з метою максимізації їх ККД.

Проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення асиметричних біморфних випромінюючих п’єзокерамічних перетворювачів різної форми, а також об’ємних конструкцій на їх основі, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи досліджень.

Отримані результати використовуються в промисловості, а також у навчальному процесі.

Вдосконалена математична модель прямокутного плоского асиметричного перетворювача, що складається з п’єзоелементу і металевої пластини. Для збільшення чутливості перетворювача п’єзоелемент має менші розміри, ніж металева пластина. На основі комплексного розв’язання рівняння п’єзоефекту і хвильового рівняння згинних коливань, а також на основі методу Релея-Ритця розроблена методика розрахунку основних коливальних і електроакустичних характеристик перетворювачів. При цьому отримані вирази для розрахунку механічних напруг, деформацій, резонансних частот і чутливості цих п’єзоперетворювачів для різних видів закріплення.
Власні форми згинних коливань п’єзокерамічних перетворювачів визначаються умовами кріплення, формою елементів, що входять до їх складу.
Побудовано математичну модель об’ємного випромінювача, що складається з К двогранних кутів. З її допомогою обчислене звукове поле, знайдені формули для опору випромінювання і коефіцієнта концентрації, проведені розрахунки ДС. Результати обчислень збігаються з експериментальними даними.
Для максимізації ККД випромінюючих перетворювачів необхідно зменшувати їх акустичний імпеданс, використовувати матеріали і акустичні екрани з максимальним значенням відношення площ екранованої і випромінюючої поверхонь АБВПП та мінімальним значенням механічних і електричних втрат, а також здійснювати оптимізацію гнучкості випромінювачів.
Отримано оптимальні співвідношення площ п’єзоелементуі металевої пластиниперетворювачів, що дозволяють одержувати максимальні значення акустичної чутливості та коефіцієнта електромеханічного перетворення. Для круглого перетворювача, для трикутного , для прямокутного та для перетворювача у вигляді еліпса .
Досліджені перетворювачі дозволяють конструювати ефективні і високоточні випромінювачі, наприклад для локаційних систем, з вузькою центральною пелюсткою ДС.
При збільшенні жорсткості закріплення перетворювачів їх АЧХ зміщується в область високих частот, кількість резонансних піків збільшується в перетворювачів, що не мають центральної симетрії, а зі збільшенням частоти ускладнюється їх форма ДС. При цьому значно знижується коефіцієнт передачі по напрузі.Найбільший коефіцієнт мають перетворювачі еліптичної та прямокутної форми.
У трикутних випромінювачів у порівнянні з прямокутними бічні пелюстки ДС набагато менші. Отже, випромінювачі трикутної форми перспективно використовувати в апаратурі з вузько спрямованим випромінюванням.
Встановлено, що при введенні електромеханічного НЗЗ в електричний ланцюг з випромінюючими перетворювачами відбувається згладжування їх АЧХ і, відповідно, розширення частотного діапазону.
Розроблені об’ємні випромінювачі на основі трикутних і прямокутних перетворювачів, що мають вузьку центральну пелюстку ДС. Крім того, вони мають високу ефективність перетворення. Найвужчу ДС має об’ємний випромінювач у вигляді багатогранної піраміди.