Стержневой составной преобразователь с двумя накладками

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА

в г. ТАГАНРОГЕ













КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО КУРСУ: Электроакустические преобразователи

НА ТЕМУ: Стержневой составной преобразователь с двумя накладками

























Таганрог – 2009


Содержание



Введение

1 Теоретическая часть

1.1 Классификация ГАП

1.2 Параметры и характеристики ГАП

2. Расчетная часть

2.1 Расчет геометрических размеров преобразователя

2.2 Расчет масс

2.3 Расчет энергетических характеристик

3. График АЧХ

Заключение

Список литературы




Введение



Излучение и прием акустических волн в воде составляют основную техническую задачу гидроакустики. Акустическое поле представляет собой поле механических возмущений, для их создания или приема используют механические колебательные системы.

Чтобы привести в движение излучающую поверхность (диафрагму), необходимо некоторое механическое устройство; в режиме приема это же устройство преобразует энергию колебаний диафрагмы в другой вид энергии.

Из всех видов энергии в современной технике наибольшее использование находит электрическая энергия, которую довольно легко производить, распределять, усиливать, измерять и преобразовывать. Поэтому в гидроакустике, как и вообще в акустике, широкое распространение получили электромеханические (электроакустические) преобразователи. Колебательная система ГАП, таким образом, является сложной электромеханической системой, в которой одновременно происходят электрические и механические процессы.




1. Теоретическая часть



1.1 Классификация и основные параметры ГАП



ГАП различают по многим признакам: назначению, принципу преобразования энергии, структуре механической колебательной системы и формам используемых колебаний, конструкций и др.

По назначению ГАП делятся на излучатели, приемники и обратимые универсальные преобразователи. Независимые излучатели и приемники используются в антеннах подводной связи, гидролокаторах, навигационных приборах с раздельными каналами излучения и приема. Универсальные ГАП применяются в аналогичных устройствах при поочередном использовании обоих режимов.

По физическим принципам преобразования энергии ГАП подразделяются на пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электромагнитные. Все они характеризуются обратимым механизмом преобразования.

По структуре колебательной системы ГАП делятся на группы: стержневые, цилиндрические, пластинчатые, сферические. 

В стержневых системах используются свободный электромеханически активный стержень и стержень с одной или двумя накладками из неактивного (пассивного) материала; в них возбуждаются продольные колебания по оси стержня с определенным распределением амплитуд, причем колебания торцов можно считать поршневыми. 

Пластинчатые системы имеют форму прямоугольной или круглой пластины, совершающей поршневые колебания по толщине, а также форму пластины, опертой по двум противоположным граням или по окружности и совершающей поперечные колебания изгиба.

В цилиндрических системах, выполняемых в виде колец из активного материала, могут возбуждаться радиальные колебания нулевого порядка (пульсирующие), первого порядка (осциллирующие) и колебания второго порядка с четырьмя узлами по окружности (изгибные).

По конструкции ГАП подразделяются на силовые и компенсированные. Конструктивное выполнение ГАП определяется главным образом их статической механической прочностью. В силовых конструкциях приемоизлучающая поверхность 1 и активный элемент 2 испытывают одностороннее напряжение (сжатие) от гидростатического давления, поскольку внутренний объем 3 корпуса 4 заполнен воздухом при нормальном атмосферном давлении; под этим напряжением находится и упругая подвеска 5, развязывающая колебательную систему и корпус. Очевидно, активный элемент силового преобразователя должен выдерживать максимальное заглубление антенны без заметного изменения свойств. В компенсированных конструкциях внутренний объем 3 заполнен газом или жидкостью при давлении, равном внешнему гидростатическому; здесь активный элемент подвержен равномерному всестороннему сжатию, так что изменений свойств (параметров) активного материала не происходит. 



1.2 Параметры и характеристики ГАП



Основные параметры и характеристики преобразователей, определяющие требования к излучателям и приемникам гидроакустических антенн, определяются из структурной схемы обратимого ГАП (рис.3). При излучении в блоке 1 электрическая энергия от источника ЭДС частично превращается в энергию механических колебаний подвижной системы (блок 2). Частичный переход механической энергии в акустическую энергию колебаний водной среды, происходящий на рабочей поверхности преобразователя, отражает блок 3. В режиме приема превращения энергии происходят по той же схеме, но в обратном направлении: в блоке 3 часть акустической энергии звукового поля переходит в энергию колебаний механической системы (блок 2), а в блоке 1 происходит частичное преобразование механической энергии в электрическую. Таким образом, в блоках 1-2 осуществляется электромеханическое (механоэлектрическое), в блоке 3- механоакустическое (акустико-механическое) преобразования.

Работу ГАП в режиме излучения обычно характеризуют следующие основные параметры и характеристики:

	Акустическая мощность - количество звуковой энергии, протекающей через замкнутую поверхность ( в частности, излучающую) в единицу времени. Измеряется  в ваттах (). Величина  отнесенная к единице площади излучающей поверхности, носит название удельной акустической мощности  и измеряется в ваттах на квадратный метр (). Эффективность излучателя в диапазоне частот характеризуется частотной зависимостью акустической мощности. 

	Электроакустический КПД  - отношение акустической мощности к электрической мощности , потребляемой преобразователем от источника возбуждения.

	Полное входное электрическое сопротивление (импеданс) Z определяет соотношение между приложенным напряжением и током I в цепи излучателя. Из-за фазового сдвига между u и I величина Z, как правило, является комплексной.

	Характеристика направленности представляет зависимость создаваемого излучателем поля (звукового давления) от направления на точку наблюдения (приема), т. е. оценивает пространственное или угловое распределение поля. 

	Коэффициент осевой концентрации  характеризует способность преобразователя (антенны) концентрировать излучаемую звуковую энергия в пределах малого телесного угла.

Все перечисленные параметры являются функциями рабочей частоты.

Из параметров, характеризующих работу ГАП в режиме приема, наиболее важными являются следующие:

	Чувствительность холостого хода  определяет величину электрического напряжения u на разомкнутом выходе преобразователя (антенны) при воздействии на его (ее) рабочую поверхность звукового давления p, равного одному паскалю (одному ньютону на квадратный метр). Частотная зависимость чувствительности характеризует эффективность приемника как акустико-электрического преобразователя в диапазоне частот.

	Электрический импеданс  устанавливает соотношение между напряжением, возникающим на электрическом выходе приемника, и током в его цепи; это соотношение обычно является комплексным.

	Характеристика направленности представляет зависимость ЭДС на выходе (или чувствительности) приемника от направления падающей на его диафрагму плоской волны.

	Коэффициент осевой концентрации  характеризует направленные свойства приемника при падении на его диафрагму волн со всех направлений, например от источников помех. Величина  показывает, во сколько раз меньшая энергия помех от равномерно распределенных источников в окружающем пространстве воздействует на направленный приемник, чем на ненаправленный. Иначе,  оценивает степень подавления помех, т. е. помехоустойчивость ГАП в режиме приема.

Параметры ГАП в режиме приема, как и в режиме излучения, зависят от рабочей частоты.




2. Расчетная часть



Исходные данные

Плотность пьезокерамики 

Плотность материала первой накладки 

Плотность материала второй накладки 

Плотность воды 

Скорость распространения волн в пьезокерамике 

Скорость распространения волн в первой накладке 

Скорость распространения волн в первой накладке 

Скорость распространения волн в воде 

Модуль Юнга 

Добротность пьезокерамики 

Рабочая частота 

Диэлектрическая проницаемость 

 

Коэффициент электромеханической связи 

Пьезомодуль 

Акустическая мощность излучателя 



2.1 Расчет геометрических размеров преобразователя



Расчет длины волны













Расчет площади излучения







Расчет относительной длины пьезоблока









Коэффициент ассиметрии А выбирается из графика







Коэффициент механической трансформации излучающей накладки выбирается и графика









Резонансная длина пьезокерамического стержня







Длина пьезоблока относительно узловой точки








Площадь пьезоблока











Расчет размеров пьезоэлемента

Диаметр пьезоэлемента







Толщина стенки







Расчет длин накладок










2.2 Расчет масс



Масса пьезоблока







Масса первой накладки







Масса второй накладки







Эквивалентная масса








2.3 Расчет энергетических характеристик



Сопротивление излучения









Добротность преобразователя





(ширина полосы пропускания)



Емкость заторможенного преобразователя















Расчет механической добротности через КПД

(акустомеханический КПД)







 (ширина полосы пропускания)



Расчет механической добротности через сопротивление













Коэффициент электромеханической трансформации

 (количество сегментов)









Волновое число






Характеристический импеданс преобразователя







Сопротивление среды







Акустическая мощность









Колебательная скорость 









Рабочее напряжение







Акустическая мощность излучения





 (электромеханический КПД)








3. График АЧХ










Заключение



В данной работе были рассчитаны геометрические размеры стержневого составного преобразователя с 2-мя накладками. Был выполнен расчет параметров преобразователя (масс, добротности, энергетических характеристик и др.). 

Рассчитанные в данной работе параметры устройства в полной мере удовлетворяют требованиям ТЗ.

Небольшие габаритные размеры преобразователя хорошо подходят для ручного контроля.

В качестве материала для пьезоэлемента используется пьезокерамика ЦТСНВ-1. Этот материал характеризуется высокой точкой Кюри и, следовательно, широким диапазоном рабочих температур.




Список литературы



	Методические указания к практическим занятиям по курсу «Излучатели и приемники». №3697 Ч.2 Таганрог. 2005.- 60с.

	Методические указания к курсовой работе по курсу ЭАП и А №818. Таганрог. ТРТИ, 1984.

	Г.М. Свердлин. Гидроакустические преобразователи и антенны.-Л.: Судостроение, 1980.-232 с.

	Г.М. Свердлин. Прикладная гидроакустика: Учеб. Пособие.- 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Судостроение, 1990.-320с.

	Руководство к лабораторным работам по курсу «Электроакустические преобразователи и аппаратура», Ч.3; «Пьезоэлектрические преобразователи»,-Таганрог: ТРТИ, 1980.-43с.