БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Габаритный и электрический расчет многослойного ПП. Схема замещения»
МИНСК, 2008
Исходные данные: Pa, вид колебаний, fo, марка пьезоэлектрического материала (ПЭМ) и его физические характеристики. Основными параметрами ПЭМ являются пьезомодули dij (Кл/м), диэлектрические проницаемости εij, модули упругости Eij, скорость звука C, tgδ, механическая добротность θm. Параметры ПП зависят от формы.
Расчет делится на две части:
1. Габаритный расчет.
2. Электрический расчет.
Габаритный расчет
Рисунок 1 – Преобразователь многослойный.
1. Выбираем размеры активного элемента
, (1)
где ηэа – ожидаемый электродинамический КПД преобразователя,
l2 – выбирается из справочника или условия механической прочности.
2. Для обеспечения стабильной работы преобразователя рабочую накладку рекомендуется выбирать из материала с малым волновым сопротивлением и высокой добротностью. Например, из сплава D16 (ρ ≈ 7,8 г/см3; C ≈ 5,2∙103 м/c).
3. Продольные размеры элементов многослойного преобразователя определяются из условия продольного резонанса
, (2)
где φi – сдвиг фаз на каждом элементе пакета;
i – индекс элемента пакета 1, 2. 3, …;
- волновое число i –того элемента;
– волновое сопротивление элемента.
Выбор размеров элементов ПП лучше начинать с
. (3)
. (4)
. (5)
l2 – выбирается из справочника или условия механической прочности.
Поскольку в условиях резонанса разный сдвиг фаз равен π
. (6)
Общая длина преобразователя
. (7)
Эффективность работы преобразователя сильно зависит от положения пьезоэлемента (ПЭ) в системе узел – пучность. Наиболее тяжелые условия с точки зрения механических нагрузок создаются при помещении ПЭ в узел колебаний (плоскость максимальных механических напряжений). В этом случае удельная мощность ограничивается прочностью керамики. Высокий КПД получается при размещении ПЭ на конце преобразователя. При этом уменьшается механическое напряжение в рабочем сечении, что позволяет увеличить Pэ. Однако при этом значительно возрастает входное сопротивление преобразователя, что требует увеличения питающего напряжения. При размещении ПЭ в узле колебаний (минимуме механических напряжений) и выполнении отражающей накладки из материала с большим волновым сопротивлением становится сильно заметным влияние дестабилизирующих факторов (температуры, нагрузки, системы крепления). Оптимальным считается размещение ПЭ между узловой плоскостью и торцом пакета. При этом прочность, КПД и стабильность будут достаточно высокими.
Электрический расчет ПП
Действующее переменное напряжение на резонансной частоте многослойного преобразователя с накладками можно определить по формуле
, (8)
где - акустическое сопротивление нагрузки ПЭ.
, (9)
где – коэффициент нагрузки преобразователя;
- коэффициент электромеханической трансформации;
E – модуль упругости.
Действующее значение тока
, (10)
где Zвх – полный модуль входного сопротивления преобразователя.
, (11)
где - емкостное сопротивление преобразователя.
, (12)
где - собственная емкость преобразователя.
Полное активное сопротивление многослойного преобразователя, приведенного к параллельной схеме
. (13)
Здесь - сопротивление диэлектрических потерь.
- механическое сопротивление преобразователя на резонансной частоте.
Мощность, потребляемая преобразователем
(14)