Дослідження характеристик електропружних перетворювачів в режимах випромінювання та прийому
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Коржик М.О. Дослідження характеристик електропружних перетворювачів в
режимах випромінювання та прийому. – Кваліфікаційна наукова праця на правах
рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю
171 «Електроніка». – Національний технічний університет України «Київський
політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню особливостей взаємодії
акустичних, механічних та електричних полів на прикладі сферичного
електропружного перетворювача в режимах випромінювання та прийому.
До виконання роботи були залучені комплексні відомості і наукові результати
з суміжних областей вищої математики, фізики, та технічної акустики.
У вступі до рукопису обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету
дисертації, визначено перелік проблем, задач, вказано наукову новизну та
практичне значення результатів теоретичного і практичного змісту.
При цьому в дисертації вперше отримано такі наукові результати:
1. Виконано широкий огляд актуальних результатів історичних та сучасних
напрямків досліджень в області гідроелектропружності та вказано сучасні
та перспективні шляхи розвитку методів математичної фізики, що
застосовуються для описання коливальних процесів п’єзокерамічних тіл в
ідеальному акустичному середовищі.
2. За допомогою методу часткових областей та методу Фур`є визначені,
розраховані та показані особливості взаємодії основних характеристик
п’єзокерамічного сферичного перетворювача з повністю електродованими
поверхнями.
3. Вперше в наскрізному вигляді доопрацьована сама постановка задачі
випромінювання звукових хвиль сферичним джерелом нульового порядку,
а також визначено, сформульовано та розв’язано задачу прийому, для якої
встановлено факт багатомодовості вказаних фізичних полів та їх
просторові розподілення.
4. Вперше в наскрізній постановці аналітично розвинуті математичні та
фізичні передумови виникнення ефектів демпфування коливань
перетворювача за рахунок введення в його конструкцію наповнювачів
рідинного або газоподібного типу.
5. Вперше показано можливість збільшення частотного діапазону роботи
порожнинних електроакустичних перетворювачів (за прикладом
п’єзокерамічного сферичного перетворювача).
6. Виконані вимірювання дозволили кількісно встановити значення
параметрів характеристики направленості, надати рекомендації щодо
раціонального використання позитивних та виключення негативних
особливостей і просторових характеристик обраного сферичного
перетворювача.
7. Вперше встановлено та аналітично подано ефект впливу акустомеханічної системи на електричне поле. Він проявляється в зміненні
режиму протікання струму у зовнішньому колі за рахунок втрати
узгодження опорів перетворювача і внутрішнього опора генератора.
8. Визначено шлях і надані рекомендації щодо можливості розширення смуги
частот перетворювача за рахунок привнесених рідинних та газоподібних
заповнювачів внутрішньої порожнини перетворювача.
Актуальність роботи полягає в подальшому розвитку наскрізних постановок
задач прийому і випромінювання звукових хвиль з врахуванням взаємного
перетворення акустичної, механічної та електричної енергії при розміщенні
перетворювача в ідеальному середовищі.
При цьому визначено частотні залежності основних характеристик акустоелектричного перетворювача, оцінено нерівномірність характеристик
направленості сферичного перетворювача та визначені обставини за яких виникає
демпфування коливального процесу та розширення робочого частотного діапазону.
Основний зміст дисертаційної роботи викладено в п`яти розділах та одному
Додатку.
Мета роботи полягає у розвитку методології розрахункових правил та
прийомів розв’язання задач хвильової акустики із залучення відомостей з теорії
пружності та п’єзоелектрики, що базуються на питаннях динаміки сферичного
перетворювача як об’єкта з ускладненими фізичними властивостями. При цьому
перетворювач розміщено у вільному полі ідеально пружного середовища.
Зовнішнім навантаженням перетворювача є збитковий тиск, а внутрішня область
перетворювача вакуумована або заповнена певним рідинним чи газоподібним
заповнючами.
Досягнення вказаної мети є можливим за умови опанування наступних
наукових напрямків, а саме:
1. Вивчення питань хвильової акустики з елементами теорії випромінювання
та розсіювання звуку;
2. З`ясування механіки напружено-деформованого стану для п’єзокерамічних
елементів як об’єктів з ускладненими властивостями;
3. Використання спрощених рівнянь Максвела та вимушеної електростатики;
4. Застосування сучасних методів розв`язку задач математичної фізики.
Отже, сукупність наведених наукових напрямків, результатів і відповідних
новітніх постановок задач випромінення та прийому звуку надає можливість
вважати запропоновану роботу актуальною і такою, що має перспективу розвитку.
В першому розділі розглянуто сучасний стан проблем хвильової акустики та
фізичних положень гідроелектропружності при їх застосуванні в задачах
наскрізного типу для електроакустичних перетворювачів. При постановці задач
приймання та випромінювання звукових хвиль враховані ефекти взаємовпливу і
взаємодії основних полів, що беруть участь в процесах взаємного перетворення
акустичної енергії на електричну (або електричної на акустичну).
Розвиток задач електропружності розглянуто в історичному екскурсі від
здобутків Кюрі і до сучасних шкіл механіки, гідромеханіки та акустики. Висвітлено
труднощі в питаннях нарощування різноманітності типорозмірів та форм
п’єзоелементів. Окремий шлях для розрахунків наскрізних характеристик
перетворювачів представляють задачі електродування і комутації електродів на
поверхнях п’єзоелементів певного типу. При цьому було визначено суто
акустичний напрямок розвитку, який є перспективним. В якості коливальної
системи перетворювача в основному обиралися циліндр нескінченної довжини або
сфера (з горлом (або без горла)), з нанесеними на їхні поверхні пружними шарами
та наповнювачами.
Другий розділ присвячений розв`язанню наскрізної задачі випромінювання
звуку сферичним електропружним перетворювачем, як джерелом нульового
порядку. На прикладі сферичного перетворювача у вільному полі проведено
постановку задачі, визначені основні вихідні співвідношення, обрано та
використано граничні умови і умови спряження каналів. Сумісне розв’язання
рівнянь для акустичного, механічного та електричного поля приведено до
алгебраїчної системи рівнянь з якої здійснюється пошук невідомих коефіцієнтів
розкладень полів. Виконано розрахунки амплітудно-частотних характеристик
(АЧХ) коефіцієнта передачі, імпедансу перетворювача та тиску, що створюється в
робочому середовищі. Встановлено походження локальних максимумів і мінімумів
АЧХ. Надано висновки і рекомендації.
В третьому розділі виконано постановку, розв`язок, та аналіз отриманих
результатів. Розглянуто задачу прийому сферичним п’єзокерамічним
перетворювачем, який заповнений ідеальними середовищами рідинного та
газоподібного складу. Розглядаються ефекти демпфування сферичної коливальної
системи. При цьому виникає можливість розширення робочої смуги частот, що не
суперечить втраті ефективності зі збільшенням добротності коливальної системи.
В розділі була обчислена чутливість перетворювача у вигляді АЧХ, яку можна
вважати чутливістю по полю. Надано висновки і рекомендації.
Четвертий розділ присвячено підготовці, проведенню та отриманню
результатів вимірювань АЧХ. При цьому детально описано процес підготовки до
проведення вимірювань АЧХ перетворювача, вибір перетворювача, його
розміщення, вибір методу вимірювань та збирання схеми проведення вимірювань.
Вказано на ймовірносні аспекти обробки отриманих результатів. Встановлено, що
результати вимірювані в частині дослідження АЧХ внутрішнього опору та
коефіцієнта передачі – відповідають отриманим теоретично, що підкреслює
достовірність та працездатність зроблених постановок.
Окремо, в п’ятому розділі розглянуто просторові особливості сформованого
акустичного поля сферичного прийомника. Розглянута модова структура
коливання системи та відповідні характеристики направленості (ХН) для нижніх
мод. При цьому визначено ситуацію можливого впливу типу електродування на
результати вимірювань чутливості сфери в обраному діапазоні частот. Надано
висновки та рекомендації.
Опис
Ключові слова
акустичне поле, механічний, електричний, електропружність, перетворювач, амплітудно – частотна характеристика, характеристика направленості, імпеданс, гідроакустичний перетворювач, acoustic field, mechanical, electrical, electroelasticity, transducer, amplitude-frequency characteristic, directivity characteristic, impedance, hydroacoustic transducer
Бібліографічний опис
Коржик, М. О. Дослідження характеристик електропружних перетворювачів в режимах випромінювання та прийому : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Коржик Максим Олексійович. – Київ, 2023. – 86 с.