ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
РОТТЕ Сергій Вікторович
УДК 621.3.537.228.1
ВДОСКОНАЛЕННЯ АСИМЕТРИЧНИХ БІМОРФНИХ ВИПРОМІНЮЮЧИХ П’ЄЗОКЕРАМІЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ
05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки
та систем керування
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Черкаси – 2003
Дисертація є рукопис.
Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник доктор технічних наук, професор Шарапов Валерій Михайлович, Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри комп’ютеризированих та інформаційних технологій в приладобудуванні.
Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, Куценко Альфред Миколайович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри фізики;
доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова, завідувач науково-дослідною лабораторією “Сенсорна електроніка”.
Провідна установа Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматики і інформаційно-вимірювальної техніки, м. Вінниця.
Захист відбудеться " 22 " 05 2003 р. о 15 г. в ауд. 407 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
Автореферат розісланий " 19 " 04 2003 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Палагін В.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
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.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до прикладної держбюджетної науково-дослідної роботи (держ. рег. № 0100U004418) "Створення континуальних механіко-математичних моделей і основ аналізу функціональних параметрів і синтезу шаруватих п’єзоелектричних перетворювачів".
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:
1.
Проаналізувати технічний рівень сучасних електроакустичних перетворювачів.
2.
Побудувати і дослідити математичні моделі АБВПП та розробити методики розрахунку їх резонансних частот і чутливості.
3.
Дослідити зразки АБВПП і визначити їх основні електроакустичні характеристики.
4.
Визначити вплив електромеханічного негативного зворотного зв’язку (НЗЗ) на амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) перетворювачів.
5.
Визначити фактори, що впливають на ККД перетворювачів.
6.
Розробити конструкції об’ємних АБВПП і визначити експериментально їх електроакустичні характеристики.
Об'єкт дослідження – п’єзоелектричні перетворювачі для систем керування, обчислювальної техніки, приладобудування тощо.
Предмет дослідження – асиметричні біморфні п’єзокерамічні перетворювачі, а також об’ємні конструкції на їх основі.
Методи досліджень. Для вирішення поставленої задачі використовувалися математичний апарат теорії коливань, метод Релея-Ритця. Застосований метод фігур Хладні.
Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними і залежностями, виготовленням дослідних зразків та їх випробуваннями.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Отримала подальший розвиток теорія п’єзокерамічних перетворювачів. Побудована і досліджена математична модель прямокутних плоских АБВПП, що дозволяє розрахувати їх основні коливальні та електроакустичні характеристики (резонансні частоти і чутливість) при різних видах закріплення. Запропонований спрощений аналітичний метод визначення форми згинних коливань біморфного перетворювача з врахуванням дисипативних втрат, виражених через середнє значення логарифмічного декременту згасання.
2.
Досліджені електроакустичні характеристики (АЧХ, коефіцієнт передачі по напрузі і ДС) трикутних, прямокутних, круглих та еліптичних АБВПП. Вперше встановлені оптимальні співвідношення площ п’єзоелементу і металевої пластини прямокутних, трикутних і еліптичних перетворювачів, що дозволяють одержати максимальну чутливість цих АБВПП.
3.
Вперше для розширення частотного діапазону АБВПП застосований електромеханічний НЗЗ.
4.
Отримала подальший розвиток теорія об’ємних п’єзокерамічних перетворювачів. Побудована і досліджена математична модель об’ємних АБВПП. Вперше розроблена методика розрахунку звукових полів, отримані формули для опору випромінювання і коефіцієнта концентрації, проведені розрахунки ДС.
Наукова та інженерно-технічна новизна результатів і досліджень підтверджується 18 публікаціями і 18 патентами України.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:
1.
Розроблена методика дозволяє розраховувати такі характеристики плоских АБВПП, як механічні напруги, деформації, резонансні частоти, чутливість. Для об’ємних АБВПП можна розраховувати створюваний ними звуковий тиск і ДС. Запропонована методика дозволяє збільшити точність розрахунків характеристик перетворювачів.
2.
Отримані оптимальні співвідношення площ п’єзоелементу і металевої пластини, вибір форми, виду закріплення і частоти перетворювачів дозволяють розробляти і виготовляти АБВПП із максимальною чутливістю і вузьким кутом розкриву центральної пелюстки ДС.
3.
Об’ємні конструкції, побудовані на основі досліджених плоских АБВПП, дозволяють одержати ще вужчий кут розкриву центральної пелюстки ДС, причому з акустичним сигналом більшої потужності, ніж в одиничного плоского випромінювача.
4.
Введення просторового електромеханічного НЗЗ у схему з АБВПП дозволяє розширити частотний діапазон перетворювача.
5.
Зменшення акустичного імпедансу, використання матеріалів випромінювачів і акустичних екранів з максимальним значенням відношення площ екранованої та випромінюючої поверхонь АБВПП і мінімальним значенням механічних і електричних втрат, а також оптимізація гнучкості перетворювачів дозволяє збільшити їх ККД.
6.
Досліджені перетворювачі дозволяють конструювати ефективні та високоточні випромінювачі з покращеними характеристиками. Результати досліджень використовуються в промисловості, зокрема, на НТК “Фотоприлад” і ВАТ “Укрп’єзо”, м. Черкаси, а також у навчальному процесі у рамках дисципліни "Перетворюючі пристрої приладів" у Черкаському державному технологічному університеті.
Особистий внесок здобувача. Дослідження підтверджені однією індивідуальною і 17 публікаціями у співавторстві, а також 18 патентами України. Автор дослідив електроакустичні характеристики АБВПП у залежності від форми металевої пластини біморфного елементу, а також від виду закріплення [2-5, 8, 10, 14], зокрема АЧХ, коефіцієнт підсилення по напрузі [2, 4, 5, 8] і ДС [3] перетворювачів. Знайшов оптимальні співвідношення площ п’єзоелементу та металевої пластини [1], що дозволило значно підвищити акустичну чутливість та коефіцієнт електромеханічного перетворення випромінювачів. Довів можливість зменшення кута розкриву ДС плоских АБВПП [19, 22, 24] і об’ємних конструкцій на їх основі [20, 21, 23], причому за допомогою цих конструкцій можна одержати акустичний сигнал більшої потужності, ніж в одиничного плоского випромінювача [1, 11-13], що також підтверджено патентами. Побудував і дослідив математичну модель об’ємних випромінювачів [1]. Дослідив основні фактори, що впливають на ККД перетворювачів, визначив умови збільшення їх ККД. Розробив, теоретично обґрунтував і експериментально дослідив вплив введення електромеханічного НЗЗ у схеми з АБВПП [7, 9, 25]. Розробив методику розрахунку звукових полів, випромінюваних об’ємними АБВПП. Розроблені автором перетворювачі застосовуються у вимірювальній техніці [15-18, 26-36]. Крім того, автором досліджені схеми електроакустичних перетворювачів на акустично зв’язаних резонаторах [6].
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 9 науково-технічних міжнародних і українських конференціях: на Міжнародній конференції "СІЕТ6 - 99" (Харків-Київ, 1999); на Міжнародній конференції "Metrology And Metrology Assurance" (Bulgaria, 2000); на Міжнародній конференції "Приладобудування - 2000" (Ялта, 2000); на Міжнародній конференції "Наука і освіта’2001" (Черкаси-Житомир, 2001); Міжнародній конференції "Приладобудування - 2001" (Вінниця-Симеїз, 2001); Міжнародній конференції "Контроль і управління в складних системах (КУСС-2001)" (Вінниця, 2001); на науково-технічній конференції "Приладобудування - 2002: підсумки і перспективи" (Київ, 2002); на науково-технічній конференції "Датчик - 2002" (Москва - Судак, 2002); на Міжнародній конференції "Приладобудування - 2002" (Вінниця-Алупка, 2002), а також на 1-му Міжнародному радіоелектронному Форумі "Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку" (МРФ-2002) (Харків, 2002).
Публікації. Результати дисертації опубліковані у 18 основних наукових працях, у тому числі в 5 статтях у журналах і збірниках наукових праць, які затверджені ВАК України:
·
5 статей у журналі "Вісник Черкаського державного технологічного університету" ("Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту");
·
у 13 доповідях і тезах на міжнародних конференціях в Україні, Росії та Болгарії;
·
а також у 18 патентах України на винаходи.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновку. Дисертація містить 191 сторінку, 99 рисунків, 2 таблиці, посилання на 108 джерел та 4 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність напрямку досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, відображені наукова новизна і практична цінність роботи, наведені відомості про апробацію, публікації та використання результатів дослідження.
В першому розділі приведений 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.
В другому розділі були побудовані та досліджені математичні моделі прямокутних плоских АБВПП (рис. 1).
Рис. 1. Асиметричний біморфний п’єзокерамічний перетворювач:
1 – металева пластина;
2 – верхній електрод;
3 – п’єзокерамічна пластина
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 .
Розподіл коливань по ширині перетворювача для цього випадку наведений на рис. 2. Форми коливань по ширині цих перетворювачів істотно залежать від імпедансу навантаження країв електроакустично активних елементів.
Рис. 2. Розподілення згинних коливань по ширині перетворювача (нормована величина):
-розрахункова (неперервна лінія);
-експериментальна (пунктирна)
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. Залежність коренів рівняння (2) від величини в приведена на рис. 3. У даному випадку представлені коливання перетворювача на третій резонансній частоті. При зміні імпедансу навантаження від 0 до резонансна частота перетворювача змінюється на 30 %.
Рис.3. Залежність коренів, що використовуються для знаходження резонансних частот, від відношення реактивного і хвильового акустичного опору п’єзоперетворювача
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 ? h = 1,5.
В третьому розділі досліджені 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 (рис. 4).
Рис. 4. Асиметричні біморфні п’єзокерамічні перетворювачі:
ПЕ – п’єзоелемент, ПЛ – металева пластина
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. Для приклада на рис. 5 наведені експериментально отримані фігури Хладні для деяких з перетворювачів.
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.
Рис. 5. Фігури Хладні для незакріплених перетворювачів: 1-4 – круглого зразка (відповідно на частотах 2,25; 4; 6,85; 8,6 кГц); 5-8 – трикутного зразка зі стороною 60 мм (2,25; 3,35; 5; 6,1 кГц); 9-11 – прямокутного зразка (3; 5,2; 6,9 кГц)
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.
В четвертому розділі досліджуються характеристики об’ємних конструкцій на основі прямокутних і трикутних перетворювачів (рис. 6).
Рис. 6. Об’ємні випромінювачі на основі біморфних перетворювачів, з’єднаних між собою у вигляді: двох прямокутних (а) та трикутних (б) перетворювачів; трьохгранної (в) і чотирьохгранної (г) пірамід, а також призми з трикутними і прямокутними перетворювачами (д)
Конструювання об’ємних випромінювачів дозволяє отримувати ще вужчі ДС (рис. 7) у порівнянні з методами, описаними в 3 розділі.
Рис. 7. Діаграми спрямованості 1) трикутного (11,65 кГц), 2) прямокутного (11,03 кГц) перетворювачів і об’ємних випромінювачів на їх основі у вигляді: 3) тригранної (11 кГц) і 4) чотиригранної піраміди (11,6 кГц); 5) призми з трикутними і прямокутними перетворювачами (11,5 кГц); и – кут розкриву основної пелюстки ДС
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
1.
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.
2.
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.
3.
Власні форми згинних коливань п’єзокерамічних перетворювачів визначаються умовами кріплення, формою елементів, що входять до їх складу.
4.
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.
5.
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.
6.
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 –
.
7.
Досліджені перетворювачі дозволяють конструювати ефективні і високоточні випромінювачі, наприклад для локаційних систем, з вузькою центральною пелюсткою ДС.
8.
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.
9.
У трикутних випромінювачів у порівнянні з прямокутними бічні пелюстки ДС набагато менші. Отже, випромінювачі трикутної форми перспективно використовувати в апаратурі з вузько спрямованим випромінюванням.
10.
Встановлено, що при введенні електромеханічного НЗЗ в електричний ланцюг з випромінюючими перетворювачами відбувається згладжування їх АЧХ і, відповідно, розширення частотного діапазону.
11.
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.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИССЕРТАЦІЇ
1.
Шарапов В.М., Роттэ С.В. Исследование объемных пьезоэлектрических излучателей на основе асимметричных биморфных преобразователей // Вісник ЧДТУ. – 2002. – № 2. – С. 88-91.
2.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В, Балковская Ю.Ю. Исследование прямоугольных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник ЧІТІ. – 2001. – № . – С. 18-22.
3.
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.
4.
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.
5.
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.
6.
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.
7.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Электромеханическая обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Калуга, 2000. – С. 450-454.
8.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В. Характеристики асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей различной формы // Сборник трудов международной научно-технической конференции "Приборостроение-2001". – Винница-Симеиз, 2001. – С. 62-64.
9.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Полиморфные пьезокерамические преобразователи с пространственной электромеханической обратной связью // Тези доповідей VI Міжнародної конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001). – Вінниця, 2001. – С. 117.
10.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Балковская Ю.Ю. Синтез пьезоэлектрических преобразователей механических величин // Сборник трудов научно-технической конференции "Приборостроение-2002: итоги и перспективы". – Киев, 2002. – С. 105-106.
11.
Шарапов В.М., Роттэ С.В. Диаграммы направленности электроакустических биморфных пьезоэлектрических преобразователей прямоугольной и треугольной формы // Сборник трудов научно-технической конференции “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления “Датчик-2002”. – Москва-Судак, 2002. - С. 33-34.
12.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В. Исследование объемных пьезоэлектрических излучателей // Сборник трудов научно-технической конференции “Приборостроение-2002”. – Винница-Алупка, 2002. – С. 225-226.
13.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические преобразователи физических величин // Сборник трудов по материалам 1-го Международного радиоэлектронного Форума "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" (МРФ-2002). – Харьков, 2002. – С. 482-485.
14.
Ротте С.В. Дослідження характеристик біморфних асиметричних перетворювачів різної форми // Тези доповідей четвертої Міжнародної конференції “Наука і освіта ’2001”. Том 15. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2001. – С. 31.
15.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Сарвар И., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Универсальный усилитель заряда для пьезоэлектрических преобразователей // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Калуга, 2000. – С. 394-396.
16.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Сарвар И., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Пьезоэлектрические акселерометры (тенденции развития, конструкции) // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Калуга, 2000. – С. 455-459.
17.
Шарапов В.М., Златьева И.Н., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Исследование асимметричных биморфных преобразователей // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Ялта, 2000. – С. 445-447.
18.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Лукашенко В.М., Чудаева И.Б., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Схемы подключения резонансных пьезоэлектрических датчиков // Труды межд. конференции “Metrology And Metrology Assurance”, Sofia, Bulgaria, 2000. – С. 146-149.
19.
Декл. пат. 53953А Україна МПК 7 Н04R17/00. П’єзоелектричний перетворювач/ Шарапов В.М., Ротте С.В. – № 2002032441; Заявл. 28.03.02; Опубл. 17.02.03. Бюл. № 2. – 11 с.
20.
Декл. пат. 53210А Україна МПК 7 Н04R17/00. П’єзоелектричний перетворювач/ Шарапов В.М., Ротте С.В. – №2002042705; Заявл. 04.04.02; Опубл. 15.01.03. Бюл. № 1. – 11 с.
21.
Декл. пат. 52302А Україна МПК 7 Н04R17/00. П’єзоелектричний перетворювач/ Шарапов В.М., Ротте С.В., Балковська Ю.Ю. – № 2002042704; Заявл. 04.04.02; Опубл. 16.12.02. Бюл. № 12. – 11 с.
22.
Декл. пат. 53211А Україна МПК 7 Н04R17/00. П’єзоелектричний перетворювач/ Шарапов В.М., Ротте С.В. – № 2002042706; Заявл. 04.04.02; Опубл. 15.01.03. Бюл. № 1. – 8 с.
23.
Декл. пат. 52306А Україна МПК 7 Н04R17/00. П’єзоелектричний перетворювач/ Шарапов В.М., Ротте С.В. – № 2002042725; Заявл. 05.04.02; Опубл. 16.12.02. Бюл. № 12. – 13 с.
24.
Декл. пат. 52307А Україна МПК 7 Н04R17/00. П’єзоелектричний перетворювач/ Шарапов В.М., Ротте С.В., Балковська Ю.Ю. – № 2002042726; Заявл. 05.04.02; Опубл. 16.12.02. Бюл. № 12 . – 11 с.
25.
Декл. пат. 54298А Україна МПК 7 Н04R17/00. Електроакустичний перетворювач / Шарапов В.М., Ротте С.В., Балковська Ю.Ю. – № 2002075846; Заявл. 15.07.02; Опубл. 17.02.03. Бюл. № 2. – 9 с.
26.
Декл. пат. 46267А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В., Златьєва І.М. – №2001053475; Заявл. 23.05.01; Опубл. 15.05.02. Бюл. № 5. – 7 с.
27.
Декл. пат. 46268А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В. – №2001053476; Заявл. 23.05.01; Опубл. 15.05.02. Бюл. № 5. – 9 с.
28.
Декл. пат. 46269А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В., Шульга М.О. – №2001053477; Заявл. 23.05.01; Опубл. 15.05.02. Бюл. № 5. – 8 с.
29.
Декл. пат. 46298А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В. – №2001063935; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.05.02. Бюл. № 5. – 7 с.
30.
Декл. пат. 46301А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В. – №2001063946; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.05.02. Бюл. № 5. – 9 с.
31.
Декл. пат. 46300А Україна МПК 7 G01L1/16. П’єзоелектричний датчик статичних зусиль / Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Андріяко Ю.В., Чудаєва І.Б., Саєнко Н.В. – №2001063942; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.05.02. Бюл. № 5. – 7 с.
32.
Декл. пат. 45703А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В. – №2001063937; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.04.02. Бюл. № 4. – 7 с.
33.
Декл. пат. 45704А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Андріяко Ю.В., Саєнко Н.В. – №2001063938; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.04.02. Бюл. № 4. – 9 с.
34.
Декл. пат. 45705А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В. – №2001063939; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.04.02. Бюл. № 4. – 8 с.
35.
Декл. пат. 45706А Україна МПК 7 G01P15/09. П’єзоелектричний акселерометр/ Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В. – №2001063940; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.04.02. Бюл. № 4. – 8 с.
36.
Декл. пат. 45707А Україна МПК 7 G01L1/16. П’єзоелектричний датчик статичних зусиль / Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусієнко М.П., Ротте С.В., Саєнко Н.В. – №2001063943; Заявл. 11.06.01; Опубл. 15.04.02. Бюл. № 4. – 7 с.
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.
Ключові слова: електроакустичні характеристики, асиметричний біморфний випромінюючий п’єзокерамічний перетворювач, діаграма спрямованості, випромінювачі.
Роттэ С.В. Совершенствование асимметричных биморфных излучающих пьезокерамических преобразователей. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05.- элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, 2003.
Диссертационная работа посвящена разработке методов проектирования асимметричных биморфных излучающих пьезокерамических преобразователей (АБИПП) и созданию на этой основе конкурентоспособных образцов такого вида продукции.
В диссертации построены математические модели плоских АБИПП, а также объемных конструкций на их основе.
Построена и исследована математическая модель прямоугольных плоских АБИПП, позволяющая рассчитать основные колебательные и электроакустические характеристики преобразователей на изгибных колебаниях (резонансные частоты и чувствительность) при различных видах закрепления.
С помощью опытных образцов исследованы такие электроакустические характеристики преобразователей как амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), коэффициент усиления по напряжению, диаграммы направленности (ДН).
АЧХ преобразователей снимались: для незакрепленных преобразователей, когда они располагались на вате, при их жестком закреплении в углах треугольных и прямоугольных металлических пластин, а также жестком закреплении в углах и дополнительно в точках посредине каждой стороны металлических пластин. Для круглого преобразователя жесткое закрепление производилось в трех, четырех, шести и восьми точках, которые равномерно выбирались по образующей металлической пластины. Для образца в виде эллипса закрепление производилось в четырех и восьми точках. Точки закрепления располагались противоположно на наибольшем и наименьшем радиусах металлической пластины. Исследования производились в частотном диапазоне 200 Гц…20 кГц.
При увеличении жесткости закрепления преобразователей их АЧХ сдвигаются в область высоких частот, увеличивается количество резонансных пиков для преобразователей, не имеющих центральной симметрии. Следует отметить, что при увеличении жесткости, значительно снижается коэффициент передачи по напряжению, достигающие наибольшего значения у АБИПП эллиптической и прямоугольной формы.
Подбор материалов пьезоэлементов и металлических пластин, выбор их толщин, соотношений площадей осуществлялись с целью получения максимальных значений акустической чувствительности преобразователей и коэффициента электромеханического преобразования. Установлено, что оптимальное соотношение толщин пьезоэлемента и металлической пластины равно 1,5. С учетом этого металлическая пластина была изготовлена из полутвердой латуни Л63 толщиной 0,2 мм, а пьезоэлемент – из керамики ЦТС-19 толщиной 0,3 мм. Соотношения площадей пьезоэлемента и металлической пластины для круглого преобразователя , для треугольного – , для прямоугольного – и преобразователя в виде эллипса – .
ДН зависят от формы излучателя, условий их крепления, частоты излучающего сигнала. Так, с увеличением частоты излучения ДН излучателей преобразовывались из ненаправленных в узконаправленные. Таким образом, в НЧ-диапазоне ДН имеют вид близкий к сфере, а с увеличением частоты увеличивается острота максимума, определяющегося углом раскрыва основного лепестка ДН. Жесткое закрепление обеспечивает увеличение количества боковых лепестков в диаграмме. Чем жестче закрепление, тем сильней они проявляются.
Треугольные излучатели обладают ДН с острым центральным максимумом, их боковые лепестки по сравнению с образцами прямоугольной формы намного меньше. Следовательно, треугольные излучатели перспективно использовать в аппаратуре с узконаправленным излучением.
Для моделей применен метод введения пространственной электромеханической обратной связи в схему с АБИПП. Это позволяет сгладить их АЧХ и, соответственно, расширить частотный диапазон.
Теоретически обоснован выбор условий работы преобразователей с целью максимизации их КПД.
Объемные конструкции на основе исследованных преобразователей не только имеют еще более узкий угол раскрыва диаграмм направленности, но и обладают достаточной жесткостью для воспроизводимости их электроакустических характеристик.
Ключевые слова: электроакустические характеристики, асимметричный биморфный излучающий пьезокерамический преобразователь, диаграмма направленности, излучатели.
Rotte S.V. The Perfecting Of Asymmetric Bimorphic Emanatings Of Piezoceramic Converters. - Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.05.- еlements both devices of computer facilities and control systems. The Cherkassy State Technological University, Cherkassy, 2003.
The thesis is devoted to development of design techniques asymmetric bimorphic emanatings of piezoceramic converters (ABEPC) and creation on this basis of competitive samples of this aspect of production.
In a thesis are constructed and the mathematical models flat ABEPC, and also volumetric constructions on their basis are investigated.
With the help of multimashed prototype such electro-acoustic characteristics of converters as peak-frequency characteristics, amplification factor on voltage, directivity diagram are investigated.
The method of introduction of a spatial electro-mechanic feed-back in the scheme with ABEPC is applied for models, that allows to smooth them peak-frequency characteristics and, accordingly, to expand a frequency range.
The choice of conditions of operation of converters is theoretically justified with the purpose of a maximization their efficiency.
Key words: electro-acoustic characteristics, asymmetric bimorphic emanating piezoceramic the converter, directivity diagram, emitters.
