МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
Державна освітня установа вищої НАУКИ
ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ
ПІВДЕННОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ
у м. Таганрозі
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
З КУРСУ: Електроакустичні перетворювачі
НА ТЕМУ: Стрижневий складовою перетворювач з двома накладками
Зміст
Введення
1 Теоретична частина
1.1 Класифікація ГАП
1.2 Параметри і характеристики ГАП
2. Розрахункова частина
2.1 Розрахунок геометричних розмірів перетворювача
2.2 Розрахунок мас
2.3 Розрахунок енергетичних характеристик
3. Графік АЧХ
Висновок
Список літератури
Введення
Шкала акустичних хвиль у воді становлять основну технічну задачу гідроакустики. Акустичне поле являє собою поле механічних збурень, для їх створення або прийому використовують механічні коливальні системи.
Щоб привести в рух випромінюючу поверхню (діафрагму), необхідно якийсь механічний пристрій; в режимі прийому це ж пристрій перетворює енергію коливань діафрагми в інший вид енергії.
З усіх видів енергії в сучасній техніці найбільшу використання знаходить електрична енергія, яку досить легко робити, розподіляти, посилювати, вимірювати і перетворювати. Тому в гідроакустику, як і взагалі в акустиці, широке розповсюдження отримали електромеханічні (електроакустичні) перетворювачі. Коливальна система ГАП, таким чином, є складною електромеханічної системою, в якій одночасно відбуваються електричні та механічні процеси.
1. Теоретична частина
1.1 Класифікація і основні параметри ГАП
ГАП розрізняють за багатьма ознаками: призначенням, принципом перетворення енергії, структурі механічної коливальної системи та формами використовуваних коливань, конструкцій і ін
За призначенням ГАП діляться на випромінювачі, приймачі та оборотні універсальні перетворювачі. Незалежні випромінювачі і приймачі використовуються в антенах підводного зв'язку, гідролокаторах, навігаційних приладах з роздільними каналами випромінювання і прийому. Універсальні ГАП застосовуються в аналогічних пристроях при почерговому використанні обох режимів.
За фізичними принципами перетворення енергії ГАП поділяються на п'єзоелектричні, магнітострикційні, електродинамічні, електромагнітні. Всі вони характеризуються оборотним механізмом перетворення.
За структурою коливальної системи ГАП діляться на групи: стрижневі, циліндричні, пластинчасті, сферичні.
У стрижневих системах використовуються вільний електромеханічних активний стрижень і стрижень з однією або двома накладками з неактивного (пасивного) матеріалу; в них порушуються поздовжні коливання по осі стрижня з певним розподілом амплітуд, причому коливання торців можна вважати поршневими.
Пластинчасті системи мають форму прямокутної або круглої пластини, що здійснює поршневі коливання по товщині, а також форму пластини, опертої по двох протилежних гранях або по колу і скоючої поперечні коливання вигину.
В циліндричних системах, виконуваних у вигляді кілець з активного матеріалу, можуть збуджуватися радіальні коливання нульового порядку (пульсуючі), першого порядку (осцилюючі) і коливання другого порядку з чотирма вузлами по колу (згинні).
По конструкції ГАП поділяються на силові і компенсовані. Конструктивне виконання ГАП визначається головним чином їх статичної механічної міцністю. У силових конструкціях пріемоізлучающая поверхню 1 і активний елемент 2 відчувають одностороннє напруга (стиснення) від гідростатичного тиску, оскільки внутрішній обсяг 3 корпусу 4 заповнений повітрям при нормальному атмосферному тиску; під цим напругою знаходиться і пружна підвіска 5, розв'язуються коливальну систему і корпус. Очевидно, активний елемент силового перетворювача повинен витримувати максимальне заглиблення антени без помітної зміни властивостей. У компенсованих конструкціях внутрішній обсяг 3 заповнений газом або рідиною при тиску, рівному зовнішньому гидростатическому; тут активний елемент схильний рівномірному всебічному стиску, так що змін властивостей (параметрів) активного матеріалу не відбувається.
1.2 Параметри і характеристики ГАП
Основні параметри та характеристики перетворювачів, що визначають вимоги до випромінювачів і приймачів гідроакустичних антен, визначаються зі структурної схеми оборотного ГАП (мал.3). При випромінюванні в блоці 1 електрична енергія від джерела ЕРС частково перетворюється в енергію механічних коливань рухомої системи (блок 2). Частковий перехід механічної енергії в акустичну енергію коливань водного середовища, що відбувається на робочій поверхні перетворювача, відображає блок 3. У режимі прийому перетворення енергії відбуваються за тією ж схемою, але в зворотному напрямку: у блоці 3 частина акустичної енергії звукового поля перетворюється в енергію коливань механічної системи (блок 2), а в блоці 1 відбувається часткове перетворення механічної енергії в електричну. Таким чином, у блоках 1-2 здійснюється електромеханічне (механоелектріческое), у блоці 3 - механоакустіческое (акустико-механічне) перетворення.
Роботу ГАП в режимі випромінювання зазвичай характеризують такі основні параметри та характеристики:
1. Акустична потужність
2. Електроакустичний ККД
3. Повний вхідний електричний опір (імпеданс) Z визначає співвідношення між прикладеним напругою і струмом I в ланцюзі випромінювача. Через фазового зсуву між u і I величина Z, як правило, є комплексною.
4. Характеристика спрямованості представляє залежність створюваного випромінювачем поля (звукового тиску) від напрямку на точку спостереження (прийому), тобто оцінює просторове або кутовий розподіл поля.
5. Коефіцієнт осьової концентрації
Всі перераховані параметри є функціями робочої частоти.
З параметрів, що характеризують роботу ГАП в режимі прийому, найбільш важливими є наступні:
1. Чутливість холостого ходу
2. Електричний імпеданс
3. Характеристика спрямованості представляє залежність ЕРС на виході (або чутливості) приймача від напрямку падаючої на його діафрагму плоскої хвилі.
4. Коефіцієнт осьової концентрації
Параметри ГАП в режимі прийому, як і в режимі випромінювання, залежать від робочої частоти.
2. Розрахункова частина
Вихідні дані
Щільність п'єзокераміки
Щільність матеріалу перше накладки
Щільність матеріалу другого накладки
Щільність води
Швидкість поширення хвиль в п'єзокераміки
Швидкість поширення хвиль в першій накладці
Швидкість поширення хвиль в першій накладці
Швидкість поширення хвиль у воді
Модуль Юнга
Добротність п'єзокераміки
Робоча частота
Діелектрична проникність
Коефіцієнт електромеханічного зв'язку
Пьезомодуль
Акустична потужність випромінювача
2.1 Розрахунок геометричних розмірів перетворювача
Розрахунок довжини хвилі
Розрахунок площі випромінювання
Розрахунок відносної довжини пьезоблока
Коефіцієнт асиметрії А вибирається з графіка
Коефіцієнт механічної трансформації випромінюючої накладки вибирається і графіка
Резонансна довжина п'єзокерамічного стержня
Довжина пьезоблока щодо вузлової точки
Площа пьезоблока
Розрахунок розмірів пьезоелемента
Діаметр пьезоелемента
Товщина стінки
Розрахунок довжин накладок
2.2 Розрахунок мас
Маса пьезоблока
Маса перших накладки
Маса друге накладки
Еквівалентна маса
2.3 Розрахунок енергетичних характеристик
Опір випромінювання
Добротність перетворювача
Ємність загальмованого перетворювача
Розрахунок механічної добротності через ККД
Розрахунок механічної добротності через опір
Коефіцієнт електромеханічної трансформації
Хвильове число
Характеристичний імпеданс перетворювача
Опір середовища
Акустична потужність
Коливальна швидкість
Робоча напруга
Акустична потужність випромінювання
3. Графік АЧХ
Висновок
У даній роботі були розраховані геометричні розміри стрижневого складеного перетворювача з 2-ма накладками. Був виконаний розрахунок параметрів перетворювача (мас, добротності, енергетичних характеристик та ін).
Розраховані в даній роботі параметри пристрою в повній мірі задовольняють вимогам ТЗ.
Невеликі габаритні розміри перетворювача добре підходять для ручного контролю.
Як матеріал для пьезоелемента використовується п'єзокераміка ЦТСНВ-1. Цей матеріал характеризується високою точкою Кюрі і, отже, широким діапазоном робочих температур.
Список літератури
1. Методичні вказівки до практичних занять з курсу «Випромінювачі і приймачі». № 3697 Ч.2 Таганрог. 2005 .- 60с.
2. Методичні вказівки до курсової роботи по курсу ЕАП і А № 818. Таганрог. ТРТІ, 1984.
3. Г.М. Свердлін. Гідроакустичні перетворювачі і антенни.-Л.: Суднобудування, 1980.-232 с.
4. Г.М. Свердлін. Прикладна гідроакустика: Учеб. Посібник .- 2-е вид., Перераб. і доп .- Л.: Суднобудування, 1990.-320с.
5. Керівництво до лабораторних робіт з курсу «Електроакустичні перетворювачі і апаратура», Ч.3; «П'єзоелектричні перетворювачі»,-Таганрог: ТРТІ, 1980.-43с.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
Державна освітня установа вищої НАУКИ
ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ
ПІВДЕННОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ
у м. Таганрозі
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
З КУРСУ: Електроакустичні перетворювачі
НА ТЕМУ: Стрижневий складовою перетворювач з двома накладками
Таганрог - 2009
Зміст
Введення
1 Теоретична частина
1.1 Класифікація ГАП
1.2 Параметри і характеристики ГАП
2. Розрахункова частина
2.1 Розрахунок геометричних розмірів перетворювача
2.2 Розрахунок мас
2.3 Розрахунок енергетичних характеристик
3. Графік АЧХ
Висновок
Список літератури
Введення
Шкала акустичних хвиль у воді становлять основну технічну задачу гідроакустики. Акустичне поле являє собою поле механічних збурень, для їх створення або прийому використовують механічні коливальні системи.
Щоб привести в рух випромінюючу поверхню (діафрагму), необхідно якийсь механічний пристрій; в режимі прийому це ж пристрій перетворює енергію коливань діафрагми в інший вид енергії.
З усіх видів енергії в сучасній техніці найбільшу використання знаходить електрична енергія, яку досить легко робити, розподіляти, посилювати, вимірювати і перетворювати. Тому в гідроакустику, як і взагалі в акустиці, широке розповсюдження отримали електромеханічні (електроакустичні) перетворювачі. Коливальна система ГАП, таким чином, є складною електромеханічної системою, в якій одночасно відбуваються електричні та механічні процеси.
1. Теоретична частина
1.1 Класифікація і основні параметри ГАП
ГАП розрізняють за багатьма ознаками: призначенням, принципом перетворення енергії, структурі механічної коливальної системи та формами використовуваних коливань, конструкцій і ін
За призначенням ГАП діляться на випромінювачі, приймачі та оборотні універсальні перетворювачі. Незалежні випромінювачі і приймачі використовуються в антенах підводного зв'язку, гідролокаторах, навігаційних приладах з роздільними каналами випромінювання і прийому. Універсальні ГАП застосовуються в аналогічних пристроях при почерговому використанні обох режимів.
За фізичними принципами перетворення енергії ГАП поділяються на п'єзоелектричні, магнітострикційні, електродинамічні, електромагнітні. Всі вони характеризуються оборотним механізмом перетворення.
За структурою коливальної системи ГАП діляться на групи: стрижневі, циліндричні, пластинчасті, сферичні.
У стрижневих системах використовуються вільний електромеханічних активний стрижень і стрижень з однією або двома накладками з неактивного (пасивного) матеріалу; в них порушуються поздовжні коливання по осі стрижня з певним розподілом амплітуд, причому коливання торців можна вважати поршневими.
Пластинчасті системи мають форму прямокутної або круглої пластини, що здійснює поршневі коливання по товщині, а також форму пластини, опертої по двох протилежних гранях або по колу і скоючої поперечні коливання вигину.
В циліндричних системах, виконуваних у вигляді кілець з активного матеріалу, можуть збуджуватися радіальні коливання нульового порядку (пульсуючі), першого порядку (осцилюючі) і коливання другого порядку з чотирма вузлами по колу (згинні).
По конструкції ГАП поділяються на силові і компенсовані. Конструктивне виконання ГАП визначається головним чином їх статичної механічної міцністю. У силових конструкціях пріемоізлучающая поверхню 1 і активний елемент 2 відчувають одностороннє напруга (стиснення) від гідростатичного тиску, оскільки внутрішній обсяг 3 корпусу 4 заповнений повітрям при нормальному атмосферному тиску; під цим напругою знаходиться і пружна підвіска 5, розв'язуються коливальну систему і корпус. Очевидно, активний елемент силового перетворювача повинен витримувати максимальне заглиблення антени без помітної зміни властивостей. У компенсованих конструкціях внутрішній обсяг 3 заповнений газом або рідиною при тиску, рівному зовнішньому гидростатическому; тут активний елемент схильний рівномірному всебічному стиску, так що змін властивостей (параметрів) активного матеріалу не відбувається.
1.2 Параметри і характеристики ГАП
Основні параметри та характеристики перетворювачів, що визначають вимоги до випромінювачів і приймачів гідроакустичних антен, визначаються зі структурної схеми оборотного ГАП (мал.3). При випромінюванні в блоці 1 електрична енергія від джерела ЕРС частково перетворюється в енергію механічних коливань рухомої системи (блок 2). Частковий перехід механічної енергії в акустичну енергію коливань водного середовища, що відбувається на робочій поверхні перетворювача, відображає блок 3. У режимі прийому перетворення енергії відбуваються за тією ж схемою, але в зворотному напрямку: у блоці 3 частина акустичної енергії звукового поля перетворюється в енергію коливань механічної системи (блок 2), а в блоці 1 відбувається часткове перетворення механічної енергії в електричну. Таким чином, у блоках 1-2 здійснюється електромеханічне (механоелектріческое), у блоці 3 - механоакустіческое (акустико-механічне) перетворення.
Роботу ГАП в режимі випромінювання зазвичай характеризують такі основні параметри та характеристики:
1. Акустична потужність
2. Електроакустичний ККД
3. Повний вхідний електричний опір (імпеданс) Z визначає співвідношення між прикладеним напругою і струмом I в ланцюзі випромінювача. Через фазового зсуву між u і I величина Z, як правило, є комплексною.
4. Характеристика спрямованості представляє залежність створюваного випромінювачем поля (звукового тиску) від напрямку на точку спостереження (прийому), тобто оцінює просторове або кутовий розподіл поля.
5. Коефіцієнт осьової концентрації
Всі перераховані параметри є функціями робочої частоти.
З параметрів, що характеризують роботу ГАП в режимі прийому, найбільш важливими є наступні:
1. Чутливість холостого ходу
2. Електричний імпеданс
3. Характеристика спрямованості представляє залежність ЕРС на виході (або чутливості) приймача від напрямку падаючої на його діафрагму плоскої хвилі.
4. Коефіцієнт осьової концентрації
Параметри ГАП в режимі прийому, як і в режимі випромінювання, залежать від робочої частоти.
2. Розрахункова частина
Вихідні дані
Щільність п'єзокераміки
Щільність матеріалу перше накладки
Щільність матеріалу другого накладки
Щільність води
Швидкість поширення хвиль в п'єзокераміки
Швидкість поширення хвиль в першій накладці
Швидкість поширення хвиль в першій накладці
Швидкість поширення хвиль у воді
Модуль Юнга
Добротність п'єзокераміки
Робоча частота
Діелектрична проникність
Коефіцієнт електромеханічного зв'язку
Пьезомодуль
Акустична потужність випромінювача
2.1 Розрахунок геометричних розмірів перетворювача
Розрахунок довжини хвилі
Розрахунок площі випромінювання
Розрахунок відносної довжини пьезоблока
Коефіцієнт асиметрії А вибирається з графіка
Коефіцієнт механічної трансформації випромінюючої накладки вибирається і графіка
Резонансна довжина п'єзокерамічного стержня
Довжина пьезоблока щодо вузлової точки
Площа пьезоблока
Розрахунок розмірів пьезоелемента
Діаметр пьезоелемента
Товщина стінки
Розрахунок довжин накладок
2.2 Розрахунок мас
Маса пьезоблока
Маса перших накладки
Маса друге накладки
Еквівалентна маса
2.3 Розрахунок енергетичних характеристик
Опір випромінювання
Добротність перетворювача
Ємність загальмованого перетворювача
Розрахунок механічної добротності через ККД
Розрахунок механічної добротності через опір
Коефіцієнт електромеханічної трансформації
Хвильове число
Характеристичний імпеданс перетворювача
Опір середовища
Акустична потужність
Коливальна швидкість
Робоча напруга
Акустична потужність випромінювання
3. Графік АЧХ
Висновок
У даній роботі були розраховані геометричні розміри стрижневого складеного перетворювача з 2-ма накладками. Був виконаний розрахунок параметрів перетворювача (мас, добротності, енергетичних характеристик та ін).
Розраховані в даній роботі параметри пристрою в повній мірі задовольняють вимогам ТЗ.
Невеликі габаритні розміри перетворювача добре підходять для ручного контролю.
Як матеріал для пьезоелемента використовується п'єзокераміка ЦТСНВ-1. Цей матеріал характеризується високою точкою Кюрі і, отже, широким діапазоном робочих температур.
Список літератури
1. Методичні вказівки до практичних занять з курсу «Випромінювачі і приймачі». № 3697 Ч.2 Таганрог. 2005 .- 60с.
2. Методичні вказівки до курсової роботи по курсу ЕАП і А № 818. Таганрог. ТРТІ, 1984.
3. Г.М. Свердлін. Гідроакустичні перетворювачі і антенни.-Л.: Суднобудування, 1980.-232 с.
4. Г.М. Свердлін. Прикладна гідроакустика: Учеб. Посібник .- 2-е вид., Перераб. і доп .- Л.: Суднобудування, 1990.-320с.
5. Керівництво до лабораторних робіт з курсу «Електроакустичні перетворювачі і апаратура», Ч.3; «П'єзоелектричні перетворювачі»,-Таганрог: ТРТІ, 1980.-43с.