Вдосконалення асиметричних біморфних випромінюючих п’єзокерамічних перетворювачів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Робота присвячена подальшому вдосконаленню і створенню нових елементів та пристроїв для систем керування і обчислювальної техніки, зокрема, випромінюючих електроакустичних (п'єзоелектричних) перетворювачів.

Розвиток систем електро- і гідроакустики підвищив вимоги до перетворювачів, тому необхідно створювати нові перетворювачі з поліпшеними електричними та акустичними характеристиками.

Від характеристик перетворювачів значною мірою залежать точність, надійність і якість роботи випромінюючих систем в оборонній, судновій і авіаційній техніці, приладів для контролю технологічних процесів і навколишнього середовища. Високі експлуатаційні вимоги пред'являються також і до побутової техніки.

Електроакустичним перетворювачам властиві такі недоліки, як широкий кут розкриву центральної пелюстки діаграми спрямованості (ДС), недостатньо високий коефіцієнт корисної дії (ККД), порівняно низька часова і температурна стабільність, невисока точність, і, отже, низька ефективність передачі акустичного сигналу.

Тому роботи зі створення нових і вдосконалення відомих електроакустичних перетворювачів (ЕАП) є актуальними.

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є вдосконалення ЕАП, зокрема, асиметричних біморфних випромінюючих п'єзокерамічних перетворювачів (АБВПП), і створення на цій основі конкурентноздатних зразків такої продукції.

Для досягнення мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

Проаналізувати технічний рівень сучасних електроакустичних перетворювачів.

Побудувати і дослідити математичні моделі АБВПП та розробити методики розрахунку їх резонансних частот і чутливості.

Дослідити зразки АБВПП і визначити їх основні електроакустичні характеристики.

Визначити вплив електромеханічного негативного зворотного зв'язку (НЗЗ) на амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) перетворювачів.

Визначити фактори, що впливають на ККД перетворювачів.

Розробити конструкції об'ємних АБВПП і визначити експериментально їх електроакустичні характеристики.

1. Аналіз робіт в області ЕАП для систем керування, обчислювальної та вимірювальної техніки, приладобудування, а також навігації

Були розглянуті ЕАП, що випускає промисловість і які застосовуються в якості випромінювачів і приймачів. Відзначено їх недоліки: вузький частотний діапазон, мала точність вимірювання, низька температурна і часова стабільність, недостатньо вузька ДС.

Сформульовано мету і задачі дослідження. Найбільш перспективними ЕАП є перетворювачі на згинних коливаннях. Запропоновано побудувати і дослідити математичні моделі плоских АБВПП для різних видів закріплення, а також об'ємних конструкцій на їх основі. Визначено необхідність перевірки достовірності отриманих результатів на дослідних зразках.

2. Побудова та дослідження математичних моделей прямокутних плоских АБВПП

На основі комплексного рішення рівняння п'єзоефекту і хвильового рівняння згинних коливань, а також методу Релея-Ритця розроблена методика розрахунку основних коливальних і електроакустичних характеристик плоских прямокутних АБВПП при різних видах закріплення. Так, були отримані формули для розрахунку механічних напруг, деформацій, резонансних частот і чутливостей перетворювачів.

Функція прогину п'єзовипромінювача:

,

де е31 - діюча п'єзоелектрична постійна, U - напруга живлення, h1 - товщина п'єзопластини, h0 - відстань від нижньої грані п'єзопластини до нейтральної поверхні, h2 - товщина пружної металевої пластини, с1, с2 - відповідно щільності п'єзокерамічної та металевої пластин, F1, F2 - коефіцієнти, що враховують вигин пластин з різних матеріалів, - частота власних коливань перетворювача, G'ЕФ = GЕФ/b - нормована згинна пружність, що відповідає одиниці ширини біморфного перетворювача, GЕФ - ефективна згинна пружність біморфного елемента.

За умови, що імпеданс навантаження Z активний, резонансна частота перетворювача:

, (1)

де m - маса біморфного елемента, - довжина металевої пластини, бк - корені рівняння .

Форми коливань по ширині цих перетворювачів істотно залежать від імпедансу навантаження країв електроакустично активних елементів.

При цьому результати, отримані при теоретичних розрахунках, добре збігаються з експериментальними даними.

Якщо імпеданс навантаження є реактивним Z = jX, то для розрахунків резонансних частот перетворювача по формулі (1) необхідно знайти корені б з рівняння:

.(2)

Тут в=X/, де - хвильовий акустичний опір біморфного елемента для згинних коливань. У даному випадку представлені коливання перетворювача на третій резонансній частоті. При зміні імпедансу навантаження від 0 до резонансна частота перетворювача змінюється на 30 %.

Для визначення прогину біморфного перетворювача з врахуванням дисипативних втрат при згинних коливаннях використовуємо вираз:

.

При інженерних розрахунках частоти власних коливань тіл широко використовують метод Релея-Ритця. На основі цього методу виведені рівняння для визначення власних частот коливань п'єзоперетворювачів.

Вираз для акустичної чутливості перетворювача в режимі холостого ходу:

,

де - безрозмірний коефіцієнт акустичної чутливості, н2 - коефіцієнт Пуассона для п'єзоелементу, g31 - п'єзочутливість, l1 - довжина п'єзокерамічної пластини, і під навантаженням:

,

де СП, СН - відповідно ємності перетворювача і навантаження; ф - постійна часу електричного ланцюга, ф = RН (CП + СН).

На основі виведених формул для розрахунку механічної напруги та акустичної чутливості перетворювача були побудовані графічні залежності максимальних механічних напруг від координати двошарової ділянки (п'єзоелемент - металева пластина) і номограма акустичної чутливості перетворювача при різних значеннях співвідношень l і h, де , .

Максимальні механічні напруги виникають у центральній точці двошарової ділянки. Максимальне значення акустичної чутливості перетворювача досягається при l = 1,1ч1,5 і h = 1,5.

3. Дослідження найбільш важливі електроакустичні характеристики (АЧХ, коефіцієнт підсилення по напрузі і ДС) АБВПП, що містять жорстко з'єднані круглий п'єзоелемент і металеву пластину прямокутної, трикутної, круглої та еліптичної форми

З метою отримання максимальних значень акустичної чутливості перетворювачів та їх коефіцієнта електромеханічного перетворення експериментально перевірялися співвідношення площ п'єзоелементу і металевої пластини . Встановлено, що оптимальні співвідношення для круглого перетворювача , для трикутного - , для прямокутного - і для перетворювача у вигляді еліпса - при товщинах п'єзоелементу та металевої пластини відповідно 0,3 і 0,2 мм. Матеріал п'єзоелементу - п'єзокераміка ЦТС-19 з електродами на торцях диска, пластини - напівтверда латунь Л63.

Амплітудно-частотні характеристики досліджувалися при трьох випадках: 1) перетворювачі розташовувалися на матеріалі, що не заважає коливанню зразка, наприклад, на ваті; 2) вони жорстко закріплювалися в кутах трикутних і прямокутних металевих пластин; 3) жорстко закріплювалися в кутах та додатково в точках посередині кожної з їх сторін. Для круглого перетворювача жорстке закріплення виконувалось у трьох, чотирьох, шести і восьми точках, які рівномірно вибиралися по утворюючій металевої пластини. Для зразка у вигляді еліпса закріплення виконувалося в чотирьох і восьми точках; точки закріплення розташовувалися протилежно на найбільшому і найменшому радіусах металевої пластини. Дослідження виконувалися в частотному діапазоні 200 Гц...20 кГц.

Розподіл коливань по поверхні перетворювачів оцінювався методом фігур Хладні. У випадках стоячих хвиль на резонансних частотах контрастний за кольором порошок розподілявся з боку металевої пластини у вузлах коливань і, таким чином, виявляв їх.

При збільшенні степені закріплення перетворювачів їх АЧХ зміщується в область високих частот, кількість резонансних піків збільшується у перетворювачів, що не мають центральної симетрії, а зі збільшенням частоти у них ускладнюється форма ДС. Найбільш важливим параметром спрямованості є кут розкриву ДС, що визначає гостроту спрямованої дії випромінювача. Кут розкриву для засобів дальнометрії повинен бути якомога меншим, що досягається вибором форми, співвідношенням розмірів п'єзоелементу і металевої пластини, виду закріплення біморфних п'єзокерамічних випромінюючих перетворювачів.

Таким чином, перетворювач деформується в залежності від усіх цих факторів по-різному, і відповідно до цього формується звуковий фронт, що визначає характеристику спрямованості.

ДС для біморфного перетворювача має вигляд:

,

де N - число вузлових ліній; , , - довжина хвилі в середовищі, - ширина перетворювача, - кут розкриву основної пелюстки ДС.

Трикутні випромінювачі мали ДС із гострим центральним максимумом, бічні пелюстки у порівнянні зі зразками прямокутної форми були набагато меншими. Отже, трикутні випромінювачі перспективно використовувати в апаратурі з вузько спрямованим випромінюванням.

У цьому ж розділі наведені результати, які показують, що при введенні електромеханічного зворотного зв'язку одержуємо більш лінійну АЧХ електроакустичних перетворювачів.

Розглянуті також і фактори, що впливають на ККД випромінювачів. ККД істотно залежить від степені акустичного навантаження випромінювачів. Погіршення умов акустичного навантаження випромінювача може в 2-3 рази знизити його ККД. Тому з метою максимізації цього параметра необхідно зменшувати акустичний імпеданс випромінювачів; використовувати матеріали та акустичні екрани з максимальним значенням співвідношення площ екранованої і випромінюючої поверхонь та мінімальним значенням механічних і електричних втрат; здійснювати оптимізацію гнучкості випромінювачів.

4. Дослідження характеристик об'ємних конструкцій на основі прямокутних і трикутних перетворювачів

Для опису системи, що складається з декількох механічно зв'язаних біморфних перетворювачів, приймаємо припущення, що п'єзоелементи, які збуджують механічні коливання, є точковими джерелами.

В якості моделі об'ємних випромінювачів приймаємо систему з двогранних кутів із джерелами, розташованими на її стінках. Всі грані мають кінцеву довжину а. Нормальна складова коливальної швидкості v(r) однакова на всіх гранях. Це періодична система джерел з періодом Ц = 2р/К по куту ц, де К - кількість напівплощин. В окремому випадку, коли К = 1, випромінююча система вироджується у смугу шириною а, коли К = 2, вирішується та ж задача для смуги шириною 2а.

За допомогою моделі були отримані такі характеристики об'ємних перетворювачів, як звукове поле, коефіцієнт концентрації, опір випромінювання тощо.

Звукове поле обчислене при інтегруванні функції Гріна для двогранного кута з жорсткими стінками:

.

Тут ссер - щільність середовища, s - випромінююча поверхня, Gгр - функція Гріна

,

де , і - відповідно більша і менша з відстаней до точок, в одній з яких знаходиться джерело, а в іншій - приймач звуку, = 1 при т = 0 і = 2 при т > 0, k - хвильове число.

Запишемо коливальну швидкість у вигляді , де - задана безрозмірна функція.

Звукове поле:

P(R, ц)=,

де:

.

Вираз P(R, ц) для дальнього поля:

P(R, ц)=.

Вираз для коефіцієнта концентрації:

.

Вираз для випромінюваної перетворювачем потужності:

.

Тут Рд - звуковий тиск у дальньому полі в тій же точці, для якої визначений коефіцієнт концентрації (тобто при =р/К).

Опір випромінювання:

,

де:

.

Висновки

резонансний біморфний перетворювач амплітудний

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'єзоелементу і металевої пластини перетворювачів, 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.

Література

Шарапов В.М., Роттэ С.В. Исследование объемных пьезоэлектрических излучателей на основе асимметричных биморфных преобразователей // Вісник ЧДТУ. - 2002. - № 2. - С. 88-91.

Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В, Балковская Ю.Ю. Исследование прямоугольных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник ЧІТІ. - 2001. - № 2. - С. 18-22.

Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В., Мусиенко М.П. Диаграммы направленности круглых и овальных асимметричных биморфных пьезоэлектрических излучателей // Вісник ЧІТІ. - 2001. - № 3.- С. 174-179.

Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В., Балковская Ю.Ю., Дифучин Ю.Н. Исследование треугольных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник ЧІТІ. - 2000. - № 4. - С. 39-43.

Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В., Балковская Ю.Ю., Дифучин Ю.Н. Исследование круглых и овальных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник ЧІТІ. - 2001. - № 1. - С. 45-49.

Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Электромеханические связанные колебательные системы для физиотерапевтических приборов // Труды Международной конференции "СИЭТ6-99". - Харьков, 1999. - С. 749-752.

Размещено на Allbest.ru