Цилиндрический преобразователь

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Июля 2014 в 22:18, курсовая работа

Краткое описание

Цилиндрические преобразователи гидроакустических антенн представляют собой или одиночный пьезокерамический цилиндр малой толщины - круговое кольцо, или состоят из некоторого (иногда большого) числа тонких колец. Наружная и внутренняя боковые поверхности кольца посеребрены, т.е. являются электродами. Постоянное напряжение, приложенное к электродам, вызывает поляризацию кольца по толщине в радиальных направлениях. Если к электродам приложить переменное напряжение, то благодаря обратному пьезоэффекту в цилиндре могут возбудиться колебания сжатия и растяжения длины средней окружности (и поверхности), колебания по толщине стенок относительно неподвижной средней поверхности, как в коротком стержне или пластине, а также осевые колебания по длине цилиндра, как в стержне.

Вложенные файлы: 1 файл

Курсовик Куценко.docx

— 177.30 Кб (Скачать файл)

 


 


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                                            Кафедра ЭГА и МТ

 

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 __________________________________________________________________                          (курсовая работа, курсовой проект, реферат и др.)

 


 

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).

  1. 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».

 

 

                                               Задание выдал: ___________________________

                                                                                (подпись)                     (фамилия)

 

«_____»  ____________  2012 г.

          

                                               Задание получил:  ____________________________

                                                                                                                  (подпись)

 

«_____» _______________ 2012 г.

 

 

 

                                                   Руководитель:     ________________________________

                                                                                                             (подпись)                          (фамилия)

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В связи с широким применением гидроакустических средств на судах различного профиля возникают задачи проектирования поисковой, контрольной и навигационной гидроакустической аппаратуры.

    Функции трансформации акустической  энергии в электрическую и  обратно непосредственно выполняют  электроакустические преобразователи, из которых составляют антенны. В гидроакустической технике  известны преобразователи, работа  которых основана на различных  физических принципах, однако наибольшее  распространение в интересующем  нас диапазоне частот в силу  высокой эффективной и конструктивных  удобств получили пьезоэлектрические  и пьезомагнитные (магнитострикционные) преобразователи.

    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 трансформации, мощности, чувствительности и т. д.), освоение расчёта частотных  характеристик на ЭВМ и получение  навыков по анализу работы  преобразователя.

    В работе представлен расчет  преобразователя,  работающего  на  основной частоте 12 кГц.

    Цилиндрические преобразователи  гидроакустических антенн представляют  собой или одиночный пьезокерамический  цилиндр малой толщины - круговое кольцо, или состоят из некоторого (иногда большого) числа тонких колец. Наружная и внутренняя боковые поверхности кольца посеребрены, т.е. являются электродами. Постоянное напряжение, приложенное к электродам, вызывает поляризацию кольца по толщине в радиальных направлениях. Если к электродам приложить переменное напряжение, то благодаря обратному пьезоэффекту в цилиндре могут возбудиться колебания сжатия и растяжения длины средней окружности (и поверхности), колебания по толщине стенок относительно неподвижной средней поверхности, как в коротком стержне или пластине, а также осевые колебания по длине цилиндра, как в стержне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

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 резонанса  :

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 мощность.

 

 

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 сопротивление.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Информация о работе Цилиндрический преобразователь