Теоретичні основи розрахунків та фізико-технічні засади конструювання електромеханічних приладів акустики пружних середовищ
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дрозденко О.І. Теоретичні основи розрахунків та фізико-технічні засади конструювання електромеханічних приладів акустики пружних середовищ. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.08 «Прикладна акустика та звукотехніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми створення теоретичних основ розрахунків і фізико-технічних засад конструювання електромеханічних приладів акустики пружних середовищ, побудованих на основі багатомодових коливальних систем в частині їх механічної, електричної і теплової міцності з урахуванням появи нових знань щодо взаємодії фізичних полів і процесів при перетворенні та формуванні енергії та умов застосування цих приладів в пружних середовищах. В першому розділі проведений аналіз фізичних проблем обмеження рівня випромінюваної акустичної потужності конструкціями електроакустичних приладів в різних пружних середовищах. Випромінювання акустичної потужності пов'язане із взаємодією трьох фізичних полів – механічного, електричного і акустичного та особливостей рідинного середовища (кавітація), в якому працюють ці прилади. Результатом взаємодій є також поява теплового поля конструкцій електромеханічних приладів. Встановлено, що кожне з цих полів має свої фізичні фактори, які обмежують випромінювання максимальної акустичної потужності. Всі вони пов'язані з характеристиками міцності по кожному з цих полів. При цьому слід прийняти до уваги наступні два моменти. Перший з них пов'язаний з тим, що до останнього часу було майже відсутнє розрахункове забезпечення конструювання електроакустичних приладів особливо для рідин. Другий момент пов'язаний з результатами новітніх досліджень, щодо перетворення та формування полів в пружних середовищах. В п’єзокерамічних приладах особливість перетворення енергії полягає у взаємному зв'язку електричних, механічних і акустичних полів. Особливістю формування полів в пружних середовищах є взаємодія полів, випромінених і розсіяних елементами приладів, обумовлена багатократним перевідбиттям звукових хвиль. Третьою особливістю є взаємодія процесів перетворення та формування енергії. В останній час при визначенні акустичних полів конструкцій електроакустичних приладів стало можливим враховувати акустичну взаємодію полів. Нові знання суттєво змінили уявлення конструкторів електроакустичних приладів про перебіг коливальних процесів в п'єзокерамічних акустичних приладах, про можливості випромінювання максимальних акустичних потужностей в залежності від типу пружного середовища і про пов'язані з ними проблеми міцності конструкцій приладів і дозволили зробити наступні висновки. По-перше, перебіг коливальних процесів та максимальна випромінювана акустична потужність, а відтак, і міцність конструкцій електроакустичних приладів залежить від характеру організації їх електричного збудження. По-друге, можливі три підходи до створення електричного збудження, що забезпечує випромінювання максимальної акустичної потужності при збереженні міцності конструкцій. По-третє, врахування взаємного зв'язку між фізичними полями при перетворенні енергій, акустичного зв'язку між елементами приладів і взаємного впливу процесів перетворення і формування енергії суттєво змінили і ускладнили проблему міцності конструкцій електроакустичних приладів, особливо для рідинних (морських) середовищ. І це ускладнення повинно бути обов'язково враховано при розробці конструкцій приладів. По-четверте, з'явилась необхідність в методичному забезпеченні щодо чисельних розрахунків характеристик всіх задіяних при випромінюванні звуку фізичних полів і зв'язаних з ними міцностей конструкцій з врахуванням всіх видів взаємодій. Розглянута задача про випромінювання звуку довільною системою випромінювачів, утвореною зі скінченної кількості кругових п'єзокерамічних циліндричних випромінювачів з окружною поляризацією. Аналіз результатів показав, що в перспективних конструкціях п’єзокерамічних акустичних приладів механічна і електрична міцності конструкцій повинні бути в кілька разів більшими порівняно з тими випадками, коли не враховують діючі фізичні поля та зв’язок між ними. В розділі 2 проведено аналіз сучасних фізико-технічних проблем конструкторсько-технологічної реалізації електроакустичних приладів з урахуванням перспективних вимог до їх параметрів та умов експлуатації. Для пружних рідинних середовищ визначені основні експлуатаційні навантаження та обґрунтовані підходи до їх вирішення для підводних електроакустичних приладів різного призначення. До них віднесені: зовнішній статичний тиск і конструкторські способи нейтралізації його впливу; довготривала механічна міцність конструкцій електромеханічних приладів і конструкторські рішення щодо її забезпечення; довготривала електрична міцність конструкцій електроакустичних приладів і конструкторські рішення щодо її забезпечення; теплова міцність конструкцій випромінюючих електроакустичних приладів. Наведений аналіз дозволяє створити нові підходи до комплексного спільного розв'язання конструкторсько-технологічної реалізації підводних електроакустичних приладів. Виконано постановку і розв'язок задач пошуку нових підходів до конструювання перспективних електроакустичних приладів різного призначення, які відрізняються між собою діапазонами робочих частот, умовами експлуатації, та як великим різноманіттям гідроакустичних технологій, так і технологічних процесів виготовлення конструкцій приладів. Показано, що жорсткі вимоги до конструкцій підводних електроакустичних приладів, пов'язані з тривалим часом їх роботи в умовах високого зовнішнього тиску, в агресивних середовищах, при дії на них значних електричних напруг, обумовлюють постійний пошук і практичну реалізацію різних фізичних принципів побудови приладів, постійне удосконалення підходів до розробки їх конструкцій з урахуванням постійно зростаючих вимог до умов експлуатації, застосуванням нових конструкційних матеріалів тощо. Третій розділ присвячений забезпеченню механічної міцності конструкцій електромеханічних приладів акустики. В процесі експлуатації конструкції електроакустичних приладів зазнають дію як статичних, так і динамічних навантажень. Для збереження міцності конструкцій приладів необхідно, щоб робочі навантаження, що створюються всіма видами впливу, не перевищували руйнівних значень, та ще й з певним коефіцієнтом запасу на надійність. Запропоновані конструкційні шляхи зменшення статичних механічних напружень шляхом збільшення товщини призм та розміщення між ними вставок із матеріалу з меншим модулем пружності, ніж модуль пружності п'єзокераміки. Встановлено, що це дозволяє збільшити статичну механічну міцність конструкцій орієнтовно в 1,5 рази. Зазначено, що механічні динамічні напруження, які утворюється при роботі конструкцій електромеханічних приладів в режимі випромінювання звуку залежать від характеру режиму випромінювання, конструктивного виконання приладу та його вузла армування, характеру коливань, параметрів коливальної системи та технології складання приладу. Чим більша питома акустична потужність яку випромінює електроакустичний прилад, тим більші динамічні напруження утворюється в його активному елементі. Встановлено, що одним з найефективніших засобів забезпечення тривалої циклічної міцності активних елементів випромінюючих електроакустичних приладів є створення в них попередніх стискуючих напружень – напружень армування. Вибір цих армуючих напружень в залежності від величини амплітуди напружень робочого циклу здійснюється з урахуванням параметрів розподілу меж міцності п'єзоелементів, коефіцієнтів концентрації напружень, конструктивних особливостей активних елементів тощо. Отримано зв'язок між амплітудою напружень робочого циклу і інтервалом значень армуючих напружень у вигляді діаграми граничних циклів навантаження п'єзоелементів. Встановлено, що застосування армуванння в конструкціях п’єзокерамічних приладів акустики дозволяє збільшити їх динамічну механічну міцність не менш ніж (1,8 – 2,2) рази в залежності від типу приладу. Розроблена і наведена на прикладі кругового циліндричного приладу процедура переходу до розрахунків розмірів і натягів зміцнюючих елементів, що їм відповідають, які дозволяють створити в активному елементі армуючі напруження, необхідні для забезпечення потрібної механічної міцності конструкції електроакустичного приладу. В четвертому розділі роботи досліджена електрична міцність конструкцій електромеханічних приладів акустики. Встановлено, що причинами фізичного зменшення електричної міцності конструкцій електроакустичних приладів є: руйнування вузлів ізоляції конструкції під дією часткових електричних розрядів; теплове старіння конструкційних електроізоляційних матеріалів; зниження міцності ізоляції конструкцій з причини зволоження активних елементів. На надійність і довговічність електричної міцності конструкцій випромінюючих електроакустичних приладів, обумовлених дією збуджуючих їх електричних напруг, впливають: амплітуда, частота і тривалість прикладеної збуджуючої напруги; ступінь вологості матеріалів, з яких утворена конструкція; температура оточуючого середовища і ступінь власного розігріву елементів конструкції, які спроможні визвати зміни параметрів, механічне руйнування і теплову деструкцію електроізоляційних матеріалів. Визначено аналітичні співвідношення, пов'язані з наведеними складовими і характеристиками електроізоляційних матеріалів, взявши за основу залежності опору ізоляції від концентрації парів рідини, відносної вологості, та температури. Встановлено зв’язок між електричною міцністю та герметизацією конструкцій, тим більше для приладів, що працюють в рідинних середовищах, які звичайно є електропровідними. Крім того, електроакустичні прилади є механічними коливальними системами, застосування в конструкціях яких полімерних матеріалів забезпечує необхідну свободу здійснення коливальних процесів. Але наявність таких матеріалів в конструкціях електроакустичних приладів завжди обумовлює появу дифузії молекул рідини робочого середовища у внутрішні об’єми цих конструкцій. Розроблена методика розрахунку часу ефективної роботи електроакустичного приладу при наявності в ньому полімерних матеріалів. Встановлено, що час ефективної роботи приладу залежить від величини та направленості дифузійного потоку через герметизуючу оболонку, вологоємності внутрішнього об’єму та вологостійкості активного елемента. Такі методики розроблені для кількох поширених типів конструкцій електроакустичних приладів. Розроблені та апробовані методи розрахунків концентрації парів рідини в конструкціях електроакустичних приладів різних типів: силових, розвантажених та компенсованих. Встановлено, що основою всіх цих розрахунків є знання кількісних значень характеристик вологості конструкційних матеріалів – коефіцієнтів дифузії, проникливості та поглинання. Для деяких конструкційних матеріалів визначені конкретні чисельні дані. В розділі 5 викладені результати досліджень методів розрахунків теплової міцності конструкцій електромеханічних приладів акустики. Особливістю роботи п’єзокерамічних приладів є нагрівання їх конструкцій внаслідок виділення тепла в активних елементах, виготовлених з п’єзокераміки. Запропоновано методику аналізу теплових полів перетворювачів, яка полягає в аналітичному розрахунку теплових полів шляхом розв’язання диференціального рівняння теплопровідності Фур’є та комп’ютерному моделюванні методом скінчених елементів теплового режиму роботи приладів з визначенням найбільш небезпечних ділянок в їх конструкції. Проаналізовані теплові поля ряду конструкцій електроакустичних приладів – стержневих та циліндричних. Для типових конструкцій цих перетворювачів встановлені залежності температурного розподілу в стаціонарному режимі, визначений час розігріву до максимальної температури та встановлені найбільш проблемні ділянки таких конструкцій. За запропонованою методикою проведені дослідження теплових режимів роботи для деяких конструкцій циліндричних та стержневих конструкцій приладів. Для підтвердження результатів аналітичного розрахунку були проведені експериментальні дослідження працюючого електроакустичного приладу стержневої конструкції. Проаналізована існуюча практика конструювання електроакустичних приладів в частині збільшення їх теплової міцності. Розглянуті пасивні і активні методи охолодження конструкцій приладів і можливості їх практичної реалізації в цих конструкціях. Серед них: використання різних типів радіаторів; зміна форми випромінюючої або тильної накладок стержневих конструкцій приладів, що підвищує ефективність охолодження на 15-25%; введення теплорозсіюючих шарів металевих вставок; введення між накладками і п’єзокерамікою деполяризованих п’єзокерамічних елементів; заповнення корпусів конструкцій газом, рідиною, або заливним матеріалом, термопастою. Це дозволяє збільшити теплопровідність конструкції. В результаті дослідження створена і запропонована діаграма ефективності застосування пасивних методів охолодження конструкцій електроакустичних приладів. Це дозволяє зменшити температуру розігріву конструкцій в 1,5 – 2 рази і збільшити час їх розігріву. Таким чином, в дисертаційній роботі проведено аналіз нових знань в технічній акустиці, в частині зв'язку фізичних полів різної природи при перетворенні енергії в п’єзокерамічних середовищах, взаємодії акустичних полів при їх формуванні в оточуючих пружних середовищах і взаємного зв'язку процесів перетворення і формування енергії та їх впливу на процес конструювання ЕМПА на основі багатомодових коливальних систем. Проаналізовано експлуатаційні навантаження електромеханічних приладів акустики з урахуванням наслідків дії пружних середовищ та взаємодії полів і процесів, що призводить до появи багатомодовості ЕМПА та розроблено фізикотехнічні заходи щодо їх врахування в процесі конструювання. Розроблені теоретичні основи та методи розрахунків механічної, електричної та теплової міцності конструкцій випромінюючих п'єзокерамічних приладів різних типів на основі багатомодових коливальних систем.
Опис
Ключові слова
прилад електромеханічний, перетворювач п'єзокерамічний електроакустичний, міцність, навантаження механічні, навантаження електричні, навантаження теплові, герметизація, конструкція, electromechanical device, piezoceramic electroacoustic transducer, strength, mechanical loads, electrical loads, thermal loads, sealing, construction
Бібліографічний опис
Дрозденко, О. І. Теоретичні основи розрахунків та фізико-технічні засади конструювання електромеханічних приладів акустики пружних середовищ : дис. … д-ра техн. наук : 05.09.08 – Прикладна акустика та звукотехніка / Дрозденко Олександр Іванович. – Київ, 2024. – 341 с.