МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА
в г. ТАГАНРОГЕ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО КУРСУ:Электроакустические преобразователи
НА ТЕМУ:Стержневой составной преобразователь сдвумя накладкамиТаганрог– 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 водесоставляют основную техническую задачу гидроакустики. Акустическое полепредставляет собой поле механических возмущений, для их создания или приемаиспользуют механические колебательные системы.
Чтобы привести в движение излучающуюповерхность (диафрагму), необходимо некоторое механическое устройство; в режимеприема это же устройство преобразует энергию колебаний диафрагмы в другой видэнергии.
Из всех видов энергии в современнойтехнике наибольшее использование находит электрическая энергия, которуюдовольно легко производить, распределять, усиливать, измерять и преобразовывать.Поэтому в гидроакустике, как и вообще в акустике, широкое распространениеполучили электромеханические (электроакустические) преобразователи.Колебательная система ГАП, таким образом, является сложной электромеханическойсистемой, в которой одновременно происходят электрические и механическиепроцессы.
1. Теоретическая часть
1.1 Классификация иосновные параметры ГАП
ГАП различают по многим признакам:назначению, принципу преобразования энергии, структуре механическойколебательной системы и формам используемых колебаний, конструкций и др.
По назначению ГАП делятся на излучатели, приемники и обратимыеуниверсальные преобразователи. Независимые излучатели и приемники используютсяв антеннах подводной связи, гидролокаторах, навигационных приборах сраздельными каналами излучения и приема. Универсальные ГАП применяются ваналогичных устройствах при поочередном использовании обоих режимов.
По физическим принципампреобразованияэнергии 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 активныйстержень и стержень с одной или двумя накладками из неактивного (пассивного)материала; в них возбуждаются продольные колебания по оси стержня сопределенным распределением амплитуд, причем колебания торцов можно считатьпоршневыми.
Пластинчатые системы имеют форму прямоугольной или круглой пластины,совершающей поршневые колебания по толщине, а также форму пластины, опертой подвум противоположным граням или по окружности и совершающей поперечныеколебания 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 узламипо окружности (изгибные).
По конструкции ГАП подразделяются на силовые и компенсированные.Конструктивное выполнение ГАП определяется главным образом их статическоймеханической прочностью. В силовых конструкциях приемоизлучающаяповерхность 1 и активный элемент 2 испытывают одностороннее напряжение (сжатие)от гидростатического давления, поскольку внутренний объем 3 корпуса 4 заполненвоздухом при нормальном атмосферном давлении; под этим напряжением находится иупругая подвеска 5, развязывающая колебательную систему и корпус. Очевидно,активный элемент силового преобразователя должен выдерживать максимальноезаглубление антенны без заметного изменения свойств. В компенсированныхконструкциях внутренний объем 3 заполнен газом или жидкостью при давлении,равном внешнему гидростатическому; здесь активный элемент подверженравномерному всестороннему сжатию, так что изменений свойств (параметров)активного материала не происходит.
1.2 Параметры ихарактеристики ГАП
Основные параметры и характеристикипреобразователей, определяющие требования к излучателям и приемникамгидроакустических антенн, определяются из структурной схемы обратимого ГАП(рис.3). При излучении в блоке 1 электрическая энергия от источника ЭДСчастично превращается в энергию механических колебаний подвижной системы (блок2). Частичный переход механической энергии в акустическую энергию колебанийводной среды, происходящий на рабочей поверхности преобразователя, отражаетблок 3. В режиме приема превращения энергии происходят по той же схеме, но вобратном направлении: в блоке 3 часть акустической энергии звукового поляпереходит в энергию колебаний механической системы (блок 2), а в блоке 1происходит частичное преобразование механической энергии в электрическую. Такимобразом, в блоках 1-2 осуществляется электромеханическое (механоэлектрическое),в блоке 3- механоакустическое (акустико-механическое) преобразования.
Работу ГАП в режиме излучения обычнохарактеризуют следующие основные параметры и характеристики:
1. Акустическая мощность />— количествозвуковой энергии, протекающей через замкнутую поверхность ( в частности,излучающую) в единицу времени. Измеряется /> в ваттах (/>). Величина /> отнесеннаяк единице площади излучающей поверхности, носит название удельнойакустической мощности /> иизмеряется в ваттах на квадратный метр (/>). Эффективностьизлучателя в диапазоне частот характеризуется частотной зависимостьюакустической мощности.
2. Электроакустический КПД /> — отношение акустической мощности к электрической мощности />, потребляемойпреобразователем от источника возбуждения.
3. Полное входное электрическоесопротивление (импеданс) Z определяет соотношение между приложенным напряжениеми током I в цепи излучателя. Из-за фазового сдвига между uи I величина Z, как правило, является комплексной.
4. Характеристика направленностипредставляет зависимость создаваемого излучателем поля (звукового давления) отнаправления на точку наблюдения (приема), т. е. оценивает пространственное илиугловое распределение поля.
5. Коэффициент осевой концентрации /> характеризуетспособность преобразователя (антенны) концентрировать излучаемую звуковуюэнергия в пределах малого телесного угла.
Все перечисленные параметры являютсяфункциями рабочей частоты.
Из параметров, характеризующих работу ГАПв режиме приема, наиболее важными являются следующие:
1. Чувствительность холостого хода /> определяетвеличину электрического напряжения uна разомкнутом выходе преобразователя (антенны) привоздействии на его (ее) рабочую поверхность звукового давления p,равного одному паскалю (одному ньютону на квадратный метр). Частотнаязависимость чувствительности характеризует эффективность приемника какакустико-электрического преобразователя в диапазоне частот.
2. Электрический импеданс /> устанавливаетсоотношение между напряжением, возникающим на электрическом выходе приемника, итоком в его цепи; это соотношение обычно является комплексным.
3. Характеристика направленностипредставляет зависимость ЭДС на выходе (или чувствительности) приемника отнаправления падающей на его диафрагму плоской волны.
4. Коэффициент осевой концентрации /> характеризуетнаправленные 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 вокружающем пространстве воздействует на направленный приемник, чем наненаправленный. Иначе, /> оцениваетстепень подавления помех, т. е. помехоустойчивость ГАП в режиме приема.
Параметры ГАП в режиме приема, как и врежиме 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 впьезокерамике />
Скорость распространения волн в первойнакладке />
Скорость распространения волн в первойнакладке />
Скорость распространения волн в воде />
Модуль Юнга />
Добротность пьезокерамики />
Рабочая частота />
Диэлектрическая проницаемость />
/>
Коэффициент электромеханической связи />
Пьезомодуль />
Акустическая мощность излучателя />
2.1 Расчет геометрическихразмеров преобразователя
Расчет длины волны
/>
/>
/>
/>
Расчет площади излучения
/>
Расчет относительной длины пьезоблока
/>
/>
Коэффициент ассиметрии А выбирается изграфика
/>
Коэффициент механической трансформацииизлучающей накладки выбирается и графика
/>
/>
Резонансная длина пьезокерамическогостержня
/>
Длина пьезоблока относительно узловойточки
/>
/>
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 энергетическиххарактеристик
Сопротивление излучения
/>
/>
Добротность преобразователя
/>
/>(ширинаполосы пропускания)
Емкость заторможенного преобразователя
/>
/>
/>
/>
/>
Расчет механической добротности через КПД
/>(акустомеханическийКПД)
/>
/>
/> (ширинаполосы пропускания)
Расчет механической добротности черезсопротивление
/>
/>
/>
/>
Коэффициент электромеханической трансформации
/> (количествосегментов)
/>
/>
Волновое число
/>
Характеристический импеданспреобразователя
/>
Сопротивление среды
/>
Акустическая мощность
/>
/>
Колебательная скорость
/>
/>
Рабочее напряжение
/>
Акустическая мощность излучения
/>
/>/>
/> (электромеханическийКПД)
/>/>
3. График АЧХ
/>
/>
Заключение
В данной работе были рассчитаныгеометрические размеры стержневого составного преобразователя с 2-мянакладками. Был выполнен расчет параметров преобразователя (масс, добротности,энергетических характеристик и др.).
Рассчитанные в данной работе параметрыустройства в полной мере удовлетворяют требованиям ТЗ.
Небольшие габаритные размерыпреобразователя хорошо подходят для ручного контроля.
В качестве материала для пьезоэлементаиспользуется пьезокерамика ЦТСНВ-1. Этот материал характеризуется высокойточкой Кюри и, следовательно, широким диапазоном рабочих температур.
Список литературы
1. Методические указания кпрактическим занятиям по курсу «Излучатели и приемники». №3697 Ч.2 Таганрог.2005.- 60с.
2. Методические указания к курсовойработе по курсу ЭАП и А №818. Таганрог. ТРТИ, 1984.
3. Г.М. Свердлин. Гидроакустическиепреобразователи и антенны.-Л.: Судостроение, 1980.-232 с.
4. Г.М. Свердлин. Прикладнаягидроакустика: Учеб. Пособие.- 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Судостроение,1990.-320с.
5. Руководство к лабораторным работампо курсу «Электроакустические преобразователи и аппаратура», Ч.3;«Пьезоэлектрические преобразователи»,-Таганрог: ТРТИ, 1980.-43с.