Дослідження характеристик електропружних перетворювачів в режимах випромінювання та прийому
| dc.contributor.advisor | Найда, Сергій Анатолійович | |
| dc.contributor.author | Коржик, Максим Олексійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-05T10:50:47Z | |
| dc.date.available | 2024-02-05T10:50:47Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Korzhik M.O. Research of characteristics of a hydroacoustic transducer in a hydroelectric spring setting. – Qualification of scientific work on the right of manuscript. Thesis for the degree of Philosophy Doctor, in specialty 171 “Electronics”. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation work is dedicated to the study of the peculiarities of the interaction of acoustic, mechanical and electrical irrigation on the butt of a spherical electric spring converting machine in the modes of vibrating and receiving. Before the end of the work, there were obtained comprehensive information and scientific results from the general areas of higher mathematics, physics, and acoustics. At the beginning of the manuscript, the relevance of the work was grounded, the meta of the dissertation was formulated, the problems of tasks were identified, the scientific novelty and the practical significance of the results of the theoretical and practical research were indicated. With whom, in the dissertation, the following scientific results were taken into account: 1. A wide view of the current results in historical and current trends in the field of hydroelectroelectric conductivity and it is indicated that current and promising directions are developed for the development of methods in mathematical physics, which should be studied for the description of the chimney processes of p'zoceramic bodies in the medium acoustic. 2. For the help of the method of partial areas and the method of Fourier design, development and indication of the particularity of the interaction of the main characteristics of the piezoceramic spherical transmuter with the surface of the electroplated surfaces 3. Formerly, in a sharp look, the very formulation of the problem of viprominating sound waves with a spherical tube of zero order was supplemented, and it was also assigned, formulated and assigned a task to the receiver, for which the fact of rich modality of the indicated physical fields and their expanses of distribution was established. 4. Previously, in the present formulation, analytically developed mathematical and physical rethinking of the vindication of the damping effects of coliving is reworked for the introduction and construction of a similar design to a native or gas-like type. 5. The possibility of increasing the frequency range of the operation of empty electro-acoustic transducers (behind the butt of a p-ceramic spherical transducer) is shown above. 6. The victors of the experiment allowed to set a specific value of the parameters of the directivity characteristic, to give recommendations on the rational selection of positive and the exclusion of negative features and spacious characteristics of the reversed spherical turner. 7. First, the effect of the acoustic-mechanical system on the electric field was installed analytically. Vin manifests itself in a change in the mode of piercing the strum at the outside when it is necessary to use the support of the alternator and the internal support of the generator. 8. Ways and recommendations were given on the possibility of expanding the swarm of frequencies of the conversion for the fluctuations of the introduction of regular and gas-like fillings in the internal empty of the conversion. The practical significance of the robotic field is in the distant development of the skrіznіh setting of tasks for the reception and modification of sound waves with the mutual transformation of acoustic, mechanical and electrical energy when placed in an ideal medium. In this case, the frequency dependence of the main characteristics of the acousticelectric transducer was assigned, the unevenness of the directivity characteristics of the spherical transducer was assessed, and the setting of the environment for any reasons for the damping of the kolival process and the expansion of the operating frequency range. The main sum of the dissertation work was presented in five divisions and one Addendum. The meta work is based on the development of the methodology of calculation rules and the adoption of the development of the problems of waves acoustics from the study of data from the theory of springiness and piezoelectricity, which are based on the power of the dynamics of a spherical transformation as an object with aggravated physical authorities. At the same time, the revolver is placed near the free field of an ideally springy middle, the outer edge of the revolver is a tight vice, and the inner area of the retort is evacuated or filled with the same ordinary gas-like backs. The reach of the commanded mark is possible for the minds of the advancing scientific directives, but for itself: 1. Study of issues of wave acoustics with elements of the theory of radiation and scattering of sound; 2. Elucidation of the mechanics of the stress-strain state for piezoceramic elements as objects with complicated properties; 3. Use of Maxwell's simplified equations and forced electrostatics; 4. Application of modern methods of solving mathematical physics problems. So, the totality of the given scientific directions, results and the relevant latest statements of the problems of sound emission and reception makes it possible to consider the proposed work as relevant and promising. In the first chapter, the current state of the problems of wave acoustics and physical conditions of hydroelectroelasticity in their application in through-type problems for electroacoustic transducers is considered. When setting the problems of reception and emission of sound waves, the effects of mutual influence and interaction of the main fields involved in the processes of mutual transformation of acoustic energy into electrical energy (or electrical energy into acoustic energy) are taken into account. Structurally, Chapter 1 consists of two subsections: 1. The development of problems of electroelasticity, which is presented in a historical excursion from Curie's achievements to the modern schools of mechanics, hydromechanics and acoustics, highlights the difficulties in increasing the variety of sizes and shapes of piezoelements. 2. A separate path for calculating the end-to-end characteristics of transducers is represented by the problems of electrodeposition and commutation of electrodes on the surfaces of piezoelectric elements of a certain type. At the same time, a purely acoustic direction of development was determined, which is promising. At the same time, a cylinder of infinite life and a sphere (with a throat (or without a throat)) were mainly chosen as the main oscillating system of the transducer. In addition, the results of the development of problems of the specified class were devoted to the situation of its application on their surfaces of elastic layers and fillers. The second chapter is devoted to the solution of the through problem of sound radiation by a spherical electroelastic transducer as a source of zero order. On the example of a spherical converter in a free field, in the second section, the problem is formulated, the main output ratios are determined, the boundary conditions and channel conjugation conditions are selected and used. The combined solution of the equations for the acoustic, mechanical, and electric fields is reduced to an algebraic system of equations from which the unknown coefficients of the field expansions are searched. The frequency response of the transmission coefficient, the impedance of the converter and the pressure created in the working environment were calculated. The origin of local frequency response maxima and minima was established. Conclusions and recommendations are provided. The third chapter presents the statement, solution, and analysis of the obtained results are performed. The problem of reception by a spherical piezoceramic transducer, which is filled with ideal media of liquid and gaseous composition, is considered. The effects of damping of a spherical oscillating system are considered. At the same time, it becomes possible to expand the working frequency band, which does not contradict the loss of efficiency with an increase in the Q-factor of the oscillating system. In the section, the sensitivity of the converter was calculated in the form of frequency response, which can be considered the field sensitivity. Conclusions and recommendations are provided. The fourth chapter is devoted to the preparation, conducting and obtaining the results of frequency response measurements. At the same time, the process of preparation for measuring the frequency response of the transducer, the selection of the transducer, its placement, the selection of the measurement method, and the assembly of the measurement scheme are described in detail. Probable aspects of processing the obtained results are indicated. It was established that the results measured in the part of the study of the frequency response of the internal resistance and the transmission coefficient correspond to those obtained theoretically, which emphasizes the reliability and workability of the productions made. The fifth chapter shows the spatial features of the formed acoustic field of a spherical receiver are considered. The modal structure of the system oscillation and the corresponding ХН for the lower modes are considered. At the same time, the situation of the possible influence of the type of electrodeposition on the results of measurements of the sensitivity of the sphere in the selected frequency range is determined. Conclusions and recommendations are provided. | |
| dc.format.extent | 86 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64297 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | акустичне поле | |
| dc.subject | механічний | |
| dc.subject | електричний | |
| dc.subject | електропружність | |
| dc.subject | перетворювач | |
| dc.subject | амплітудно – частотна характеристика | |
| dc.subject | характеристика направленості | |
| dc.subject | імпеданс | |
| dc.subject | гідроакустичний перетворювач | |
| dc.subject | acoustic field | |
| dc.subject | mechanical | |
| dc.subject | electrical | |
| dc.subject | electroelasticity | |
| dc.subject | transducer | |
| dc.subject | amplitude-frequency characteristic | |
| dc.subject | directivity characteristic | |
| dc.subject | impedance | |
| dc.subject | hydroacoustic transducer | |
| dc.subject.udc | 534.1 | |
| dc.title | Дослідження характеристик електропружних перетворювачів в режимах випромінювання та прийому | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: