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 пьезоэлектриче­ские пластины, свободно опертые по периметру (рис, 1а). Поскольку знак деформации (сжатие или растяжение) зависит от полярности электрического напряжения, то электроды мож­но соединить так, что под действием переменного напряжения одна пластина будет стремиться растягиваться, а другая — сжи­маться, в результате создается изгибающий момент и пластины будут изгибаться (рис. 1,а).

Поперечные колебания изги­ба дают возможность получить малогабаритную колебательную систему и преобразователь в це­лом. На рис. 1,6 показан дис­ковый 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 ме­ханической 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 из­гиба пластин, преобразовывались в электрические сигналы.

Этим требованиям отвечают механические колебательные си­стемы в виде биморфных элементов, состоящих из разнородных пластин, жестко связанных плоскостями, и отличающихся элек­трическими или механическими свойствами. Если в одной из пластин создать напряжения сжатия Т, укорачивающие ее дли­ну, одновременно в другой—напряжения растяжения, растяги­вающие 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 преобразо­вания механических напряжений в электрические сигналы) ис­пользуют пьезоэлектрические пластины, электроды в биморфном элементе надо соединить определенным образом. При этом необ­ходимо учитывать взаимные направления полей первоначальной поляризации пластин (вектор Ео), возникающих механических напряжений -(Т) и напряженности внешнего рабочего электриче­ского (вектор Ео).

Рис.1. Схема конструкции преобразователя работающего на колебаниях изгиба

Варианты соединения электродов в биморфном элементе, об­разованном 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 взаим­ных направлений полей поляризации Еу к рабочего Е. Если на­правления вектора £o и мгновенное значение вектора Е в одной из пластин совпадают, то в ней возникнут механические напря­жения 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 соедине­ния двух пластин, одна (1) из которых пьезоактивна, другая (2) изготовлена из пассивного материала, например металла или ди­электрика, Изгибающий момент в таком биморфном элементе возникает при создании электрического поля (и деформации) в пластине 1, при этом пластина 2, называемая подложкой, не из­меняет своих размеров. В режиме приема деформация изгиба пластины / вызывает механические напряжения, которые приво­дят к появлению разности потенциалов на электродах 3. Подоб­ную колебательную систему называют полупассивной.

Таковы физические предпосылки создания механических ко­лебательных систем, реализующих принцип действия пластинча­тых преобразователей.

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

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

Чтобы рассчитать электроакустические характеристики и па­раметры пластинчатого преобразователя с помощью эквивалент­ной электромеханической схемы необходимо знать его эквива­лентные параметры: массу м_экв, гибкость Сэкв и КЭМТ N. Их определяют в каждом конкретном случае через формы колеба­ний, 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 преобразова­телей содержат кроме механических колебательных систем — пьезокерамических биморфных элементов еще опоры, с кото­рыми эти элементы соединены, герметизирующие металлические мембраны и покрытия, электроизоляционные прослойки и элек­трические вводы.

На рис. 3 показана широко распространенная конструкция круглого пластинчатого преобразователя-приемника. Для реали­зации условий свободного опирания биморфных элементов коле­бательная система выполнена симметричной. Биморфные эле­менты собирают из пьезокерамических пластин 2, которые через электроизоляционную прослойку 3 склеивают эпоксидным клеем с металлической подложкой 4. Подложку вместе с круглым кор­пусом—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 плоско­стям пьезокерамических пластин приклеивают элементы элек­троизоляции и мембраны 6. Ввод—кабель 1 приваривают и при-вулканизовывают к корпусу. Заключительная операция изготов­ления 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 прес­сования, например из пресс-по­рошка АГ-4с. К опорам симметрично приклеивают биморфные элементы. Герметизируют конструкцию заливкой ком­паундом или с помощью резинового чехла.*

 

 

3.   Расчет элементов излучателя