Цилиндрический преобразователь
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО
УНИВЕРСИТЕТА
В Г. ТАГАНРОГЕ
Факультет электроники и приборостроения
Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники
Пояснительная записка к курсовому проекту
по курсу
«Электроакустические преобразователи»
на тему: «Цилиндрический преобразователь»
Выполнила: |
Студентка группы В-128 Мелехина Е. С. |
Проверила: |
преп. Пояркова В.А. |
г. Таганрог 2012 г.
Техническое задание
Технологический институт Южного федерального университета
в городе Таганроге
Факультет ЭП
З А Д А Н И Е №_2____
на самостоятельную работу
Студенту Мелехиной Е.С.__________ группа В-128
По курсу Электроакустические преобразователи
Форма СРС: курсовой проект ______________________________
1. Тема: ______________________________
2. Разрабатываемые вопросы и фактические требования:
Выбрать модель преобразователя, составить эквивалентную схему, рассчитать энергетические характеристики режимов излучения и приема. Рассчитать и построить АЧХ преобразователя (модуль, фазу, активную и реактивную составляющие, круговую диаграмму импеданса).
- Исходные данные: , , , ,
3. Форма и содержание отчетной документации: Введение. 1. Анализ ТЗ. 1.1. выбор модели. 1.2. Составление эквивалентной схемы. 1.3. Выбор материала ПК. 2. Расчет АЧХ. 2.1. Расчет геометрических размеров. 2.2. Расчет параметров эквивалентной схемы. 2.3. Расчет АЧХ (таблицы, графики). 3. Расчет энергетических параметров. 3.1. Расчет параметров режима излучения. 3.2. Расчет параметров режима приема. Заключение. Список литературы.
4. План-график выполнения СРС:
5. Форма контроля и сроки:
______________________________
______________________________
6. Литература: Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / под ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение. 1986 г.
Метод указания №898. «Программа курса».
«_____» ____________ 2012 г.
«_____» _______________ 2012 г.
Содержание
Введение
В связи с широким применением гидроакустических средств на судах различного профиля возникают задачи проектирования поисковой, контрольной и навигационной гидроакустической аппаратуры.
Функции трансформации
Целью данной курсовой работы
является приобретение навыков
выбора типа преобразователя
в зависимости от назначения
и частотного диапазона, выбора
активного материала, а также
схемы-аналога, соответствующей полученной
конструкции, овладение методами
расчёта основных параметров
преобразователя (собственных и
внесённых сопротивлений, коэффициента
электромеханической
В работе представлен расчет преобразователя, работающего на основной частоте 12 кГц.
Цилиндрические
Патентный поиск
В процессе выполнения курсовой работы был сделан патентный поиск. Были изучены патенты за последние три года (2009 – 2012гг.). Поиск производился по классификатору H04R1/44 – гидроакустические преобразователи. Для заданной рабочей частоты 12 кГц наиболее целесообразно использовать цилиндрические преобразователи. Этот фактор был учтён при выборе патентов, что сделало поиск более целенаправленным. Статьи из патентов приведены в конце курсовой работы в виде приложения.
Анализ ТЗ
Выбор и обоснование типа преобразователя и антенны
Гидроакустический преобразователь - непременный элемент гидроакустической антенны - представляет собой колебательную систему, предназначенную для излучения и приема акустических сигналов в водной среде.
В качестве активного элемента было выбрано сплошное пьезокерамическое тонкое кольцо, боковые поверхности которого посеребряны и являются электродами. Кольцо поляризовано в радиальном направлении – использован поперечный пьезоэффект.
Выбор и обоснование типа активного материала
В качестве активного материала была выбрана пьезокерамика ЦТСНВ-1 1-го класса (пригодна для производства пьезоэлементов приемников и излучателей малой и средней мощности). При выборе пьезоматериала ориентировались на значение тех параметров эффективности, которые наиболее важны для проектируемого ГАП. Пьезокерамика ЦТСНВ-1 обеспечивает получение наибольшей мощности на резонансе и низких частотах. Так как удельная акустическая мощность на резонансной частоте пропорциональна величине (d33 YE3) E2 при поперечном пьезоэффекте и (d31 YE1) E2 при поперечном пьезоэффекте, а на частотах значительно ниже резонансной – величинам (d33 cE3) E2 (d31 cE1) E2. Чем больше этот параметр, тем больше удельная излучаемая акустическая мощность.
Основные параметры для пьезокерамики ЦТСНВ-1
Марка |
ЦТСНВ-1 |
r, кг/м3 |
7300 |
u3E, м/с |
2760 |
s11E, м2/Н |
1,51 10-11 |
s33E, м2/Н |
1,79·10-11 |
d31, м/В |
-1,66·10-10 |
d33, м/В |
3,71·10-10 |
k31 |
0,3 |
k33 |
0,67 |
e33/e0 |
1930 |
tgd, В/м |
0,02 |
Qм |
50 |
u1E, м/с |
3000 |
Расчет геометрических размеров антенны
Геометрические размеры преобразователя рассчитываются, исходя из резонансных частот и его назначения.
Рассмотрим режим излучения:
1)Частота механического
2)Размеры кольца:
Средний радиус ненагруженного кольца
Толщину кольца δ выбираем в пределах (0.2..0.25)a: принимаем , что составляет
а) Радиусы кольца: наружный
б) внутренний
Высота кольца h определяется направленностью антенны, от которой зависит общее число колец; обычно размер h не превышает
, примем h=0.104м
3) Коэффициент экранирования.
4) Площадь излучающей (приемной) поверхности.
5) Волновое число.
Итак, мы рассчитали необходимые размеры нашей гидроакустической антенны, исходя из рабочей частоты, заданной в техническом задании к проектированию.
Рассмотрим режим приема:
6) Электромеханическая добротность.
7) Полоса пропускания.
8) Относительная полоса пропускания.
Расчет эквивалентной схемы по схеме аналогий
Эквивалентная схема цилиндрического преобразователя
1) Эквивалентная масса.
2) Эквивалентная гибкость.
3) Активное сопротивление механических потерь.
4) Емкость свободного элемента.
5) Статическая емкость заторможенного пьезоэлемента.
6) Динамическая емкость.
7) Коэффициент электромеханической трансформации.
8) Динамическая индуктивность.
9) Активное сопротивление потерь.
10) Механическое сопротивление.
11) Активная составляющая механического импеданса.
Реактивная составляющая механического импеданса.
12) Сопротивление излучения.
13) Присоединенная масса.
14) Коэффициент затухания для ненагруженного преобразователя.
15) Коэффициент затухания для нагруженного преобразователя.
16) Постоянная времени для ненагруженного преобразователя.
17) Постоянная времени для нагруженного преобразователя.
18) Механическая добротность.
Расчет энергетических характеристик в режиме излучения
1) Излучаемая акустическая
2) Амплитудное значение колебательной скорости в контуре.
3) Амплитудное значение рабочего напряжения.
4) Рабочее значение рабочего напряжения.
5) Коэффициент осевой концентрации.
6) Внесенное сопротивление.
7) Ваттное сопротивление.
8) Механическая мощность.
9) Электрическая мощность.
10) Акустомеханический кпд.
11) Электромеханический кпд.
12) Акустоэлектрический кпд.
13) Чувствительность в режиме излучения.
14) Абсолютная чувствительность.
АЧХ в режиме излучения
рис.1 АЧХ в режиме излучения.
Расчет энергетических характеристик в режиме приема
1) Сила.
2) Полное механическое
3) Амплитудное значение колебательной скорости.
4) Сила.
5) Амплитудное значение рабочего напряжения.
6) Чувствительность по давлению.
АЧХ в режиме приема
рис.2 АЧХ в режиме приёма.
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы был выбран наиболее оптимальный активный материал, удовлетворяющий поставленной задаче. Произведен расчет характеристик полученного преобразователя и его схемы-аналога: геометрические размеры, энергетические характеристики, эквивалентные параметры и т. д. Выполнена работа с технической и патентной литературой. Освоен расчет частотных характеристик на ПК. Также в программе Microsoft Visio был выполнен чертёж цилиндрического преобразователя, который находится в приложении к курсовому проекту.
Список литературы
1. Свердлин Г. М. Гидроакустические преобразователи и антенны. – Ленинград: Судостроение, 1980 г.
2. Лепендин Л.Ф. Акустика. - М.: Высш.школа, 1978.- 448с
3. Справочник по гидроакустике /под ред. А.Е. Колесникова. - Л.: Судостроение, 1982,- 344с.
4. Куценко Т.Н.; Тарасов С.П. Методическое пособие № 818; г Таганрог, 2007. -84с
Приложение
В ходе выполнения курсовой работы был проведен патентный поиск, результаты его приведены ниже:
1)Электроакустический преобразователь
Классификация по МПК: H04R
Патентная информация
Патент на изобретение №: 2400017
Автор: Васильев Андрей Викторович (RU)
Дата публикации: 20 Сентября, 2010
Начало действия патента: 3 Сентября, 2009
Изобретение относится к электроакустике, в частности к конструкциям электроакустических преобразователей. Техническим результатом изобретения является повышение КПД и снижение нелинейных искажений. Электроакустический преобразователь содержит центральный керн и верхний кольцевой фланец, между которыми размещены постоянные кольцевые магниты и кольцевые полюсные наконечники, кольцевую немагнитную прокладку, звуковую катушку, установленную в рабочем зазоре соосно и симметрично кольцевой немагнитной прокладке, и звуковой излучатель. Отличительными особенностями является наличие, по меньшей мере, двух ферромагнитных колец, установленных с внешней и внутренней стороны катушки, и механическое соединение звукового излучателя с одним из ферромагнитных колец. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
2)Пьезоэлектрический преобразователь
Классификация по МПК: H04R
Патентная информация
Патент на изобретение №: 2445748
Автор: Богуш Михаил Валерьевич (RU), Гарковец Александр Анатольевич (RU), Пикалев Эдуард Михайлович (RU)
Дата публикации: 20 Марта, 2012
Начало действия патента: 24 Августа, 2010
Заявляемый пьезоэлектрический преобразователь используется в приборостроении для передачи звуковой энергии в жидкость или приема звуковой энергии из жидкости при измерении ее расхода в напорных трубопроводах. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и соотношения сигнал-шум принимаемого сигнала при сохранении герметичности преобразователя и работоспособности его при высоких избыточных давлениях. Пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость с замыкающей стенкой на одном конце и открытую на противоположном конце, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены протектор, пьезоэлемент, демпфер, пружинящая шайба, имеющие диаметр немного меньше диаметра внутренней полости, и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом. При этом замыкающая стенка выполнена в виде мембраны, причем мембрана может быть выполнена за одно целое с корпусом или соединена с ним по контуру сваркой, а пьезоэлемент соединен с мембраной длины через протектор, толщиной, равной ультразвуковой волны в протекторе, с помощью клея и/или поджат к ней пружинящей шайбой, а толщина мембраны h в зависимости от плотности материала определяется из соотношения: h=A/ρ, где А коэффициент, равный от 0,4 до 4 кг/м 2, ρ плотность материала мембраны в кг/м 3. 6 ил.
3)Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь
Классификация по МПК: B06B H04R
Патентная информация
Патент на изобретение №: 2452586
Автор: Варнаков Александр Евгеньевич (RU), Малишевский Александр Олегович (RU), Хмелев Вадим Константинович (RU)
Дата публикации: 10 Июня, 2012
Начало действия патента: 22 Февраля, 2011
Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к пьезокерамическим преобразователям, и может быть использовано как при разработке новых акустических систем, так и в существующем оборудовании на базе пьезокерамических преобразователей. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь содержит пакеты пьезокерамических пластин с металлической вставкой между ними, стянутые с помощью соединительного элемента между частотопонижающими накладками. Общая длина преобразователя равна длине волны расчетной частоты ультразвуковых колебаний, а максимальный диаметр металлической вставки не должен превышать одну третью часть длины волны ее рабочей частоты. При этом металлическая вставка выполнена из высокоплотного материала, исходя из условия его максимального волнового сопротивления, а частотопонижающие накладки из материала с минимально возможной плотностью, соответственно с меньшим волновым сопротивлением. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования и устойчивости работы, упрощение конструкции. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
4)Гидроакустический преобразователь
Классы МПК: |
H04R1/44 H04R17/00 |
Автор(ы): |
Степанов Борис Георгиевич (RU) |
Патентообладатель(и): |
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (RU) |
Адрес для переписки: |
199034, Санкт-Петербург, Университетская
наб., 7/9, Университет, Департамент интеллектуальной
собственности и трансфера |
Приоритеты: |
подача
заявки начало действия патента публикация патента |
Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн гидроакустических станций различного назначения, а также - для систем звукоподводной связи. Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных параметров при сохранении рабочей полосы пропускания и эффективности излучения, а также уменьшение стоимости. Широкополосный гидроакустический преобразователь содержит набор N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности преобразователя, генератор сигналов, линию задержки, обеспечивающую увеличение времени задержки сигнала с ростом номера кольца и соединенную с каждым кольцом через промежуточные усилители и усилители мощности. При этом выход генератора сигналов соединен с линией задержки, каждый из N выходов которого соединен с соответствующими N входами фильтров с регулируемыми в рабочей полосе частот преобразователя коэффициентами передачи, имеющими минимумы в области радиального резонанса пьезоактивного кольца и выше, причем с ростом номера кольца глубина этих минимумов последовательно уменьшается, а соответствующие им частоты - увеличиваются. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.