Расчет преобразователя

Содержание

1. Техническое задание 3

2. Выбор конструкции и материала преобразователя 4

3. Расчет элементов излучателя 9

3.1. Выбор материала и конструкции 9

3.2. Расчет параметров преобразователя 10

3.3. Расчет параметров ПЭ преобразователя 13

3.3.1. Расчет энергетических характеристик преобразователя 13

4. Конструкция преобразователя 17

Литература 18

1. Техническое задание

Необходимо выбрать конструкцию и материал преобразователя, который работает в воздушной среде в импульсном режиме, способен излучать большую удельную мощность в диапазоне частот 25-45 Кгц.

2. Выбор конструкции и материала преобразователя

Чтобы реализовать данные условий целесообразно использовать биморфный преобразователь, работающий на принципе изгибных колебаний, данный излучатель способен работать на высоких частотах и излучать большую удельную мощность.

Простейший биморфный элемент представляет собой две склеенные пьезоэлектриче¬ские пластины, свободно опертые по периметру (рис, 1а). Поскольку знак деформации (сжатие или растяжение) зависит от полярности электрического напряжения, то электроды мож¬но соединить так, что под действием переменного напряжения одна пластина будет стремиться растягиваться, а другая — сжи¬маться, в результате создается изгибающий момент и пластины будут изгибаться (рис. 1,а).

Поперечные колебания изги¬ба дают возможность получить малогабаритную колебательную систему и преобразователь в це¬лом. На рис. 1,6 показан дис¬ковый пластинчатый преобразователь, состоящий из металлического диска 1 (для упрочнения) и двух приклееных к нему круглых пьезобиморфных пластин 2; колебательная система помещена в корпус 3, нижняя пластина – в заливочную массу 4.

Принцип действия. Для возбуждения колебаний изгиба ме¬ханической системы в режиме излучения необходимо создать в ее поперечных сечениях изгибающие моменты. Для обеспечения режима приема надо соединить электроды таким образом, чтобы именно механические напряжения, вызванные деформациями из¬гиба пластин, преобразовывались в электрические сигналы.

Этим требованиям отвечают механические колебательные си¬стемы в виде биморфных элементов, состоящих из разнородных пластин, жестко связанных плоскостями, и отличающихся элек¬трическими или механическими свойствами. Если в одной из пластин создать напряжения сжатия Т, укорачивающие ее дли¬ну, одновременно в другой—напряжения растяжения, растяги¬вающие ее, то возникнут изгибающие моменты М относительно срединной плоскости пластин (рис. 1, а).

При приеме под действием падающей акустической волны биморфный элемент изгибается на несущих опорах и в пьезокерамических пластинах возникают механические напряжения Т, преобразуемые ими в электрические сигналы (рис. 2,б).

Если для создания механических колебаний (или преобразо¬вания механических напряжений в электрические сигналы) ис¬пользуют пьезоэлектрические пластины, электроды в биморфном элементе надо соединить определенным образом. При этом необ¬ходимо учитывать взаимные направления полей первоначальной поляризации пластин (вектор Ео), возникающих механических напряжений -(Т) и напряженности внешнего рабочего электриче¬ского (вектор Ео).

Рис.1. Схема конструкции преобразователя работающего на колебаниях изгиба

Варианты соединения электродов в биморфном элементе, об¬разованном пьезокерамическими пластинами, приведены на рис. 4.16, а, б. Полярность электрических зарядов, возникающих на электродах 3, показана условно. Отличия в электрических свойствах соединяемых пьезопластин создаются выбором взаим¬ных направлений полей поляризации Еу к рабочего Е. Если на¬правления вектора £o и мгновенное значение вектора Е в одной из пластин совпадают, то в ней возникнут механические напря¬жения одного направления (например, сжатия), в этот момент в другой пластине, где Ец и Е направлены встречно, возникнут напряжения противоположные (растяжения). Этим и обусловлено создание изгибающего момента в поперечных сечениях пластин.

Рис. 2. Способы соединения пластин в преобразователе

Па рис.2,а показан биморфный элемент в виде соедине¬ния двух пластин, одна (1) из которых пьезоактивна, другая (2) изготовлена из пассивного материала, например металла или ди¬электрика, Изгибающий момент в таком биморфном элементе возникает при создании электрического поля (и деформации) в пластине 1, при этом пластина 2, называемая подложкой, не из¬меняет своих размеров. В режиме приема деформация изгиба пластины / вызывает механические напряжения, которые приво¬дят к появлению разности потенциалов на электродах 3. Подоб¬ную колебательную систему называют полупассивной.

Таковы физические предпосылки создания механических ко¬лебательных систем, реализующих принцип действия пластинча¬тых преобразователей.

На практике для наибольшей эффективности пластинчатых преобразователей стремятся создать условия закрепления би¬морфных элементов, близкие к свободному опиранию краев.

Так, для одного и того же прямоугольного биморфного элемента при двух свободно опертых краях и двух свободных собственное чис¬ло для низшей частоты Xi = 3,14, а при двух жестко заделан¬ных краях—Xi -= 4,73, что соответствует различию их резонанс¬ных частот в (4,73/3,14)2 = 2,27 раза.

Чтобы рассчитать электроакустические характеристики и па¬раметры пластинчатого преобразователя с помощью эквивалент¬ной электромеханической схемы необходимо знать его эквива¬лентные параметры: массу мэкв, гибкость Сэкв и КЭМТ N. Их определяют в каждом конкретном случае через формы колеба¬ний, размеры и упругие параметры биморфных элементов.

Круглые преобразователи. Основные элементы пластинчатых преобразователей подобного типа — круглые в плане биморфные элементы, работающие на поперечных колебаниях изгиба.

Реальные конструкции круглых пластинчатых преобразова¬телей содержат кроме механических колебательных систем — пьезокерамических биморфных элементов еще опоры, с кото¬рыми эти элементы соединены, герметизирующие металлические мембраны и покрытия, электроизоляционные прослойки и элек¬трические вводы.

На рис. 3 показана широко распространенная конструкция круглого пластинчатого преобразователя-приемника. Для реали¬зации условий свободного опирания биморфных элементов коле¬бательная система выполнена симметричной. Биморфные эле¬менты собирают из пьезокерамических пластин 2, которые через электроизоляционную прослойку 3 склеивают эпоксидным клеем с металлической подложкой 4. Подложку вместе с круглым кор¬пусом—опорой 7 изготавливают в виде одной детали. Затем две таких детали сваривают по периметру, а внутренний объем б между ними образует воздушный экран. К наружным плоско¬стям пьезокерамических пластин приклеивают элементы элек¬троизоляции и мембраны 6. Ввод—кабель 1 приваривают и при-вулканизовывают к корпусу. Заключительная операция изготов¬ления преобразователя—приварка торцов мембран к круглому корпусу по периметру.

Рис. 4. Поперечное сечение круглого симметричного преобразователя

Малогабаритные конструкции преобразователей выполняют более простыми. Кольцевые опоры изготавливают методом прес¬сования, например из пресс-по¬рошка АГ-4с. К опорам симметрично приклеивают биморфные элементы. Герметизируют конструкцию заливкой ком¬паундом или с помощью резинового чехла.*

3. Расчет элементов излучателя

3.1. Выбор материала и конструкции

Для данного излучателя подойдет материал типа ЦТСНВ – 1, выбор его обусловлен, большим значением d31, данный параметр влияет на эффективность преобразователя.

Таблица 3.1

Значения постоянных пьезоэлектрического материала ЦТСНВ-1

Постоянная EEю1*10-11,Па SE11*1012,м2/Н СЕ1,м/с d31,1010 K31

Значение 0,62 16,3 2900 2200 2 0,34

Постоянная tg , %  QM

Значение 1,9 0,38 60

Материал для пассивного элемента выбираем из условия что он должен выдерживать большие нагрузки. Для этого подойдет титановый сплав.

Таблица 3.2

Значения постоянных пассивного материала ЦТСНВ-1

Постоянная , кг/м3 Сзв, м/с ЕЮ, Па 

Значение 4500 6000 1,1*10-11 0,35

Эскиз преобразователя

1 – пьезокерамическая пластина;

2 – пластина из титановоо сплава.

Данный преобразователь работает на изгибные колебания.

3.2 Расчет параметров преобразователя

Резонансная частота однородной пластины совершающей колебания изгиба определяется как:

3.1

где с – скорость звука в пластине, а – радиус пластины.

Отсюда можно рассчитать толщину пластины:

3.2

Так как пластина полуактивная, то ее толщина будет меньше, потому что скорость звука в титане больше скорости звука в ЦТСНВ-1.

Толщину титановой пластины возьмем tт=0.5*10-3м.

Тогда можно рассчитать резонансную частоту такой системы, приняв ее за многослойную.

1. Определяем положение нейтрали Z0, в которой при изгибе механическое напряжение равно «0»:

3.3

где EE1, EЮ- модули упругости для ПК и титана соответственно.

2. Определяем приведенные коэффициенты Пуассона

3.4

K, T – коэффициенты