Коефіцієнт електромеханічної трансформації перетворювача на пульсуючій моді коливань

Вступ

 

П'єзоелектричний перетворювач - електромеханічний, або електроакустичний перетворювач, дія якого заснована на п'єзоелектричному ефекті. Основна частина п'єзоелектричного перетворювача складається з окремих або об'єднаних в групи електрично і механічно зв'язаних один з одним п'езоелементів. У свою чергу п'єзоелементи або їх групи залежно від призначення і устрою п'єзоелектричного перетворювача можуть бути конструктивно пов'язані з пасивними механічними елементами.

П'єзоелемент - виготовлена з п'єзоелектричного матеріалу деталь простої геометричної форми (стрижень, пластина, диск, циліндр, трапецієвидна призма і т.п.) з нанесеними на певні її поверхні електродами. З електродів п'єзоелемента знімається електричний заряд, що утворюється при прямому п'єзоефекті, або до них підводиться електрична напруга для створення деформації в результаті зворотнього п'єзоефекту. П'єзоелемент вирізається з кристала або виготовляється з п'єзокераміки так, щоб взаємна орієнтація механічних сил і електричних полів (індукцій) забезпечувала для даної кристалічної системи, що має певну симетрією, реалізацію прямого або зворотнього п'єзоефекту з виникненням нормальних коливань заданого типу.

П'єзоелектричні перетворювачі застосовуються в різних областях техніки (УЗ технології і дефектоскопії, гідролокації, радіомовленні, віброметрії, радіоелектроніці, а також в акустоелектроніці) як випромінювачі ультразвуку і приймачі, елементи гідроакустичних антен, мікрофони і гідрофони, п'єзоелектричні трансформатори, резонатори, фільтри та ін. Відповідно до цього діапазон робочих частот п'єзоелектричного перетворювача є достатньо широким - від одиниць Гц в сейсмічних дослідженнях до ГГц в акустоелектроніці. Залежно від призначення і діапазону робочих частот в п'єзоелектричному перетворювачі використовуються різні п'єзоелектричні матеріали.

Найбільше поширення набули п'єзоелектричні перетворювачі з п'езокераміки, застосування якої дозволяє надавати їм необхідну форму, використовувати різні види деформацій і форми коливань механічних систем і забезпечує високу ефективність перетворювача.

Гідроакустичні перетворювачі (ГАП) - основний вузол будь-якого гідроакустичного пристрою, що перетворює електричну енергію в акустичну і навпаки. Звичайно ГАП використовується одночасно і як випромінювач, і як приймач. Проте його функції розділяються, якщо до перетворювача висуваються високі вимоги щодо його роботи в якомусь одному з режимів, оскільки висока ефективність приладу в режимі прийому і в режимі випромінювання досягається різними шляхами.

ГАП істотно відрізняються від перетворювачів для повітряного середовища: по-перше, ГАП працюють в середовищі з великим хвильовим опором, завдяки чому коливаються з малими зсувами і з великими зусиллями; по-друге, ГАП повинні розвивати значні потужності, унаслідок чого в їх активних (у електромеханічному відношенні) елементах виникають великі як пружні напруження, так і електричні напруги, великі теплові навантаження, що зумовлює підвищені вимоги до механічної і електричної міцності, теплового режиму роботи, ККД.; по-третє, ГАП часто працюють при великому гідростатичному тиску, отже механічна система перетворювача повинна бути захищена від дії цього тиску.

Розрахунок п'єзоелектричного перетворювача, як одного з видів електромеханічних перетворювачів, має на меті встановити зв'язок між величинами електричними (напруга на електродах U, струм через перетворювач I) і механічними (прикладена до механічної системи сила F, зсув про або коливальна швидкість v). При розрахунках п'єзоелектричний перетворювач може бути заміщений електромеханічною схемою, еквівалентною йому з погляду розрахунку співвідношення між електричними і механічними (акустичними) величинами.

 

Вибір конструктивної схеми

 

У даній роботі проводилася розробка циліндричного перетворювача, що має форму кільця, причому керамічне кільце складається з набору призматичних перетворювачів з електродірованими бічними поверхнями, отже, здійснюючого подовжні коливання.

Перетворювач має силову конструкцію і складається з трьох частин. Кожна з частин є кільцем: п’єзокераміка, текстоліт і металевий бандаж. Таким чином, налічувана конструкція перетворювача, є складною коливальною системою.

Розміри перетворювача жорстко пов'язані з його резонансною частотою, оскільки на резонансі, по середньому колу п’єзокерамічного кільця, повинна поміститися довжина хвилі в матеріалі.

Також був врахований той факт, що циліндричний перетворювач ефективно працює якщо його радіус значно більше товщини кільця і його висоти. На практиці можна обмежиться тією умовою, що радіус перевищує товщину кільця в 4 рази, в цьому випадку вживані для розрахунку формули, мають погрішність не більше 5%.

Кількісною мірою статистичної міцності служить межа міцності - максимальна напруга розтягування Тр, яке даний матеріал витримує. Особливість п’єзокерамічних складів полягає в тому, що міцність їх на стискування на порядок вище за міцність на розтягування. Отже, динамічна напруга, що виникає в п’єзокераміці, не повинна перевершувати відповідної межі Тр.

Металевий бандаж дозволяє забезпечити робочий стан кераміки для описаної вище умови.

Розрахунок параметрів перетворювача

Повний розрахунок параметрів перетворювача здійснюємо у два етапи. На першому етапі розрахуємо параметри коливальної системи та побудуємо його еквівалентну електромеханічну схему. На другому етапі на основі цієї схеми визначимо всі вихідні параметри перетворювача.

Розрахунки еквівалентних електричних і механічних параметрів циліндричного перетворювача.

Перш ніж виконувати розрахунки, візьмемо з літературних джерел необхідні вихідні дані щодо фізико-механічних параметрів матеріалів, з яких, виготовлені елементи конструкції перетворювача:

При розрахунках була використана п’єзокераміка ЦТС36 (що задовольняє вимогам по температурі), для бандажу була вибрана сталь Ст-10.

 

	r, 103 кг/м3	E, 1011 Па	k33	d33, 10-12 Кл/Н	e33/e0	tg(d)
П’єзокераміка	7,4	0,64	0,43	270	900	0,0075
Прес- матеріал	1,8	0,325
Сталь	7,8	2,1

 

 і  - безрозмірні коефіцієнти випромінювання, відповідно рівні 0,6 і 0.1. Параметри робочого середовища (вода):

 - густина робочого середовища;

 - швидкість звуку в робочому середовищі.

Загальні параметри

 - діелектрична проникність вакууму;

 - статичний тиск;

 

Допоміжні розрахунки

 

Використовуючи рівняння для визначення резонансної частоти перетворювача (чиста кераміка) в повітрі:

 

,

 

де aсркер - средній радіус керамічного кільця, Eкер - модуль Юнга для керамики, rкер - густина кераміки, а також враховуючи те, що наявність додаткових шарів змінить частоту механічного резонансу до вигляду:

 

,

 

де mэкв и Cэкв - відповідно, еквівалентна маса і гнучкість перетворювача. Еквівалентна маса і гнучкість шару обчислюються по формулах:

 

,  

 

де Н - висота кільця, t - товщина кільця. Сумарна маса і гнучкість перетворювача обчислюються по наступних співвідношеннях:

 

, .

 

В результаті отримаємо наступні значення:

 

	aср, мм	t, мм	Н, мм	mэкв, кг	Сэкв, м/Н
П’єзокераміка	33	2,5	30	0,115	1,089*10-9
Текстоліт	34	0,35		4,07*10-3	1,599*10-8
Сталь	35	0,25		0,013	3,494*10-9
Перетворювач				0,131	7,893*10-10

 

Кількість п’єзокерамічних призм рівне 60 (товщина призми становить d = 3,44 мм), при отриманих геометричних розмірах перетворювача, резонансна частота перетворювача рівна 15,63 кГц.

 

Коефіцієнт корисної дії

 

циліндричний перетворювач електричний розрахунок

 - акустикомеханічний к.к.д.

Механоелектричний к.к.д. на частоті резонансу:

 

 

 

Акустикоелектричний к.к.д.

 

Електрична напруга, яку необхідно підвести до електроакустичного перетворювача для випромінення в навколишнє середовище активної акустичної потужності Wак.=50 Вт на робочій частоті fр.

 

Питома акустична потужність

 

,

 

Ця величина допустима для роботи перетворювача у воді на глибинах не менше 1 м в умовах відсутності кавітації.

Висновки

 

Розрахунок параметрів перетворювача свідчить про те, що конструкція та розміри перетворювача були обрані правильно, оскільки розраховані параметри мають досить невелику похибку відносно заданих. Так, розрахована частота резонансу у воді становить 3,172 кГц в той час як задана робоча частота становить 3 кГц, а розрахований коефіцієнт вісьової концентрації відрізняється від заданого на 0,2.

Для підвищення динамічної міцності перетворювача, в його активному елементі попередньо створимо сталі стискаючі напруги, зармувавши його більш міцним, ніж п’єзокераміка матеріалом - металом. Це дозволить збільшити діючі динамічні напруження на величину напружень армування. У випадку стрижньового перетворювача трикомпонентної конструкції цього можна досягти за допомогою вісьової стяжки, виготовленої з нержавіючої сталі, що проходить через центральні отвори п’єзоелементів, і гайок, які стягують випромінюючу та тильну накладки. Також для укріплення конструкції помістимо її в металевий корпус.

Вступ

 

П'єзоелектричний перетворювач - електромеханічний, або електроакустичний перетворювач, дія якого заснована на п'єзоелектричному ефекті. Основна частина п'єзоелектричного перетворювача складається з окремих або об'єднаних в групи електрично і механічно зв'язаних один з одним п'езоелементів. У свою чергу п'єзоелементи або їх групи залежно від призначення і устрою п'єзоелектричного перетворювача можуть бути конструктивно пов'язані з пасивними механічними елементами.

П'єзоелемент - виготовлена з п'єзоелектричного матеріалу деталь простої геометричної форми (стрижень, пластина, диск, циліндр, трапецієвидна призма і т.п.) з нанесеними на певні її поверхні електродами. З електродів п'єзоелемента знімається електричний заряд, що утворюється при прямому п'єзоефекті, або до них підводиться електрична напруга для створення деформації в результаті зворотнього п'єзоефекту. П'єзоелемент вирізається з кристала або виготовляється з п'єзокераміки так, щоб взаємна орієнтація механічних сил і електричних полів (індукцій) забезпечувала для даної кристалічної системи, що має певну симетрією, реалізацію прямого або зворотнього п'єзоефекту з виникненням нормальних коливань заданого типу.

П'єзоелектричні перетворювачі застосовуються в різних областях техніки (УЗ технології і дефектоскопії, гідролокації, радіомовленні, віброметрії, радіоелектроніці, а також в акустоелектроніці) як випромінювачі ультразвуку і приймачі, елементи гідроакустичних антен, мікрофони і гідрофони, п'єзоелектричні трансформатори, резонатори, фільтри та ін. Відповідно до цього діапазон робочих частот п'єзоелектричного перетворювача є достатньо широким - від одиниць Гц в сейсмічних дослідженнях до ГГц в акустоелектроніці. Залежно від призначення і діапазону робочих частот в п'єзоелектричному перетворювачі використовуються різні п'єзоелектричні матеріали.

Найбільше поширення набули п'єзоелектричні перетворювачі з п'езокераміки, застосування якої дозволяє надавати їм необхідну форму, використовувати різні види деформацій і форми коливань механічних систем і забезпечує високу ефективність перетворювача.

Гідроакустичні перетворювачі (ГАП) - основний вузол будь-якого гідроакустичного пристрою, що перетворює електричну енергію в акустичну і навпаки. Звичайно ГАП використовується одночасно і як випромінювач, і як приймач. Проте його функції розділяються, якщо до перетворювача висуваються високі вимоги щодо його роботи в якомусь одному з режимів, оскільки висока ефективність приладу в режимі прийому і в режимі випромінювання досягається різними шляхами.

ГАП істотно відрізняються від перетворювачів для повітряного середовища: по-перше, ГАП працюють в середовищі з великим хвильовим опором, завдяки чому коливаються з малими зсувами і з великими зусиллями; по-друге, ГАП повинні розвивати значні потужності, унаслідок чого в їх активних (у електромеханічному відношенні) елементах виникають великі як пружні напруження, так і електричні напруги, великі теплові навантаження, що зумовлює підвищені вимоги до механічної і електричної міцності, теплового режиму роботи, ККД.; по-третє, ГАП часто працюють при великому гідростатичному тиску, отже механічна система перетворювача повинна бути захищена від дії цього тиску.

Розрахунок п'єзоелектричного перетворювача, як одного з видів електромеханічних перетворювачів, має на меті встановити зв'язок між величинами електричними (напруга на електродах U, струм через перетворювач I) і механічними (прикладена до механічної системи сила F, зсув про або коливальна швидкість v). При розрахунках п'єзоелектричний перетворювач може бути заміщений електромеханічною схемою, еквівалентною йому з погляду розрахунку співвідношення між електричними і механічними (акустичними) величинами.

 

Вибір конструктивної схеми

 

У даній роботі проводилася розробка циліндричного перетворювача, що має форму кільця, причому керамічне кільце складається з набору призматичних перетворювачів з електродірованими бічними поверхнями, отже, здійснюючого подовжні коливання.

Перетворювач має силову конструкцію і складається з трьох частин. Кожна з частин є кільцем: п’єзокераміка, текстоліт і металевий бандаж. Таким чином, налічувана конструкція перетворювача, є складною коливальною системою.

Розміри перетворювача жорстко пов'язані з його резонансною частотою, оскільки на резонансі, по середньому колу п’єзокерамічного кільця, повинна поміститися довжина хвилі в матеріалі.

Також був врахований той факт, що циліндричний перетворювач ефективно працює якщо його радіус значно більше товщини кільця і його висоти. На практиці можна обмежиться тією умовою, що радіус перевищує товщину кільця в 4 рази, в цьому випадку вживані для розрахунку формули, мають погрішність не більше 5%.

Кількісною мірою статистичної міцності служить межа міцності - максимальна напруга розтягування Тр, яке даний матеріал витримує. Особливість п’єзокерамічних складів полягає в тому, що міцність їх на стискування на порядок вище за міцність на розтягування. Отже, динамічна напруга, що виникає в п’єзокераміці, не повинна перевершувати відповідної межі Тр.

Металевий бандаж дозволяє забезпечити робочий стан кераміки для описаної вище умови.

Розрахунок параметрів перетворювача

Повний розрахунок параметрів перетворювача здійснюємо у два етапи. На першому етапі розрахуємо параметри коливальної системи та побудуємо його еквівалентну електромеханічну схему. На другому етапі на основі цієї схеми визначимо всі вихідні параметри перетворювача.

Розрахунки еквівалентних електричних і механічних параметрів циліндричного перетворювача.

Перш ніж виконувати розрахунки, візьмемо з літературних джерел необхідні вихідні дані щодо фізико-механічних параметрів матеріалів, з яких, виготовлені елементи конструкції перетворювача:

При розрахунках була використана п’єзокераміка ЦТС36 (що задовольняє вимогам по температурі), для бандажу була вибрана сталь Ст-10.

 

	r, 103 кг/м3	E, 1011 Па	k33	d33, 10-12 Кл/Н	e33/e0	tg(d)
П’єзокераміка	7,4	0,64	0,43	270	900	0,0075
Прес- матеріал	1,8	0,325
Сталь	7,8	2,1

 

 і  - безрозмірні коефіцієнти випромінювання, відповідно рівні 0,6 і 0.1. Параметри робочого середовища (вода):

 - густина робочого середовища;

 - швидкість звуку в робочому середовищі.

Загальні параметри

 - діелектрична проникність вакууму;

 - статичний тиск;

 

Допоміжні розрахунки

 

Використовуючи рівняння для визначення резонансної частоти перетворювача (чиста кераміка) в повітрі:

 

,

 

де aсркер - средній радіус керамічного кільця, Eкер - модуль Юнга для керамики, rкер - густина кераміки, а також враховуючи те, що наявність додаткових шарів змінить частоту механічного резонансу до вигляду:

 

,

 

де mэкв и Cэкв - відповідно, еквівалентна маса і гнучкість перетворювача. Еквівалентна маса і гнучкість шару обчислюються по формулах:

 

,  

 

де Н - висота кільця, t - товщина кільця. Сумарна маса і гнучкість перетворювача обчислюються по наступних співвідношеннях:

 

, .

 

В результаті отримаємо наступні значення:

 

	aср, мм	t, мм	Н, мм	mэкв, кг	Сэкв, м/Н
П’єзокераміка	33	2,5	30	0,115	1,089*10-9
Текстоліт	34	0,35		4,07*10-3	1,599*10-8
Сталь	35	0,25		0,013	3,494*10-9
Перетворювач				0,131	7,893*10-10

 

Кількість п’єзокерамічних призм рівне 60 (товщина призми становить d = 3,44 мм), при отриманих геометричних розмірах перетворювача, резонансна частота перетворювача рівна 15,63 кГц.

 

Коефіцієнт електромеханічної трансформації перетворювача на пульсуючій моді коливань

 

,

 

де  - ширина п’єзокерамічного перетворювача.