Теоретичні основи розрахунків та фізико-технічні засади конструювання електромеханічних приладів акустики пружних середовищ

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorДрозденко, Олександр Іванович
dc.date.accessioned2025-05-02T10:08:11Z
dc.date.available2025-05-02T10:08:11Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractДрозденко 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, 2025. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми створення теоретичних основ розрахунків і фізико-технічних засад конструювання електромеханічних приладів акустики (ЕМПА) 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 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 фізико-технічні 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.
dc.description.abstractotherDrozdnenko O.I. Theoretical Foundations for Calculations and PhysicalTechnical Principles of Designing Electromechanical Devices for Acoustics of Elastic Media. – Qualification Scientific Work in Manuscript Form. Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty 05.09.08 "Applied Acoustics and Audio Engineering". – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute," Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2025. The dissertation is dedicated to solving an important scientific and technical problem of developing theoretical foundations for the calculation and physical-technical principles of designing electromechanical acoustic devices for elastic media. These devices are based on multimode oscillatory systems concerning their mechanical, electrical, and thermal strength, considering new knowledge about the interaction of physical fields and processes during energy conversion and formation, as well as the conditions for their application in elastic media. The first chapter analyzes the physical problems that limit the level of acoustic power radiation by electroacoustic devices in various elastic media. Acoustic power radiation is associated with the interaction of three physical fields—mechanical, electrical, and acoustic—and the specific features of the liquid medium (cavitation) in which these devices operate. The interaction of these fields also leads to the emergence of a thermal field in the structures of electromechanical devices. In piezoceramic devices, energy conversion is characterized by the interconnection of electrical, mechanical, and acoustic fields. The formation of fields in elastic media is influenced by the interaction of emitted and scattered fields from device elements, which is determined by multiple reflections of sound waves. Additionally, the interaction between energy conversion and formation processes plays a crucial role. Recent advances in determining acoustic fields of electroacoustic devices have made it possible to consider acoustic interactions between fields. This new knowledge has significantly altered engineers' understanding of oscillatory processes in piezoceramic acoustic devices, the limits of maximum acoustic power radiation depending on the type of elastic medium, and the associated structural strength issues. A problem related to sound radiation by an arbitrary system of emitters consisting of a finite number of circular piezoceramic cylindrical radiators with circumferential polarization was examined. Analysis of the results indicates that in advanced piezoceramic acoustic devices, the mechanical and electrical strength of structures should be several times higher compared to cases where existing physical fields and their interactions are not considered. Chapter 2 analyzes modern physical and technical problems related to the design and technological implementation of electroacoustic devices, taking into account advanced requirements for their parameters and operating conditions. The main operational loads for elastic liquid media are identified, and approaches to their resolution for underwater electroacoustic devices of various purposes are substantiated. The analysis allows for the development of new approaches to the comprehensive solution of design and technological implementation of underwater electroacoustic devices. New methods for designing promising electroacoustic devices of various purposes are proposed, differing in operating frequency ranges, working conditions, and a wide range of hydroacoustic technologies and manufacturing processes. Strict design requirements for underwater electroacoustic devices arise due to their prolonged operation under high external pressure, exposure to aggressive environments, and the impact of significant electrical voltages. This necessitates continuous research and practical implementation of different physical principles of device construction, improvement of design methodologies, the use of new structural materials, and constant refinement of device configurations. Chapter 3 is dedicated to ensuring the mechanical strength of electromechanical acoustic device structures. These devices experience both static and dynamic loads during operation. To maintain structural integrity, the working loads from all influencing factors must not exceed critical values, with a sufficient safety margin. Design solutions for reducing static mechanical stresses include increasing prism thickness and inserting materials with lower modulus of elasticity than piezoceramics. These measures increase static mechanical strength by approximately 1.5 times. The dynamic mechanical stresses arising during sound radiation depend on the emission mode, structural design, reinforcement nodes, oscillation characteristics, vibrational system parameters, and device assembly technology. The higher the specific acoustic power emitted by the electroacoustic device, the greater the dynamic stresses in its active element. One of the most effective ways to ensure the long-term cyclic strength of active elements in radiating electroacoustic devices is the creation of preliminary compressive stresses (reinforcement stresses). The selection of these stresses depends on the amplitude of working cycle stresses and considers factors such as strength distribution parameters, stress concentration coefficients, and specific features of active elements. The relationship between working cycle stress amplitude and reinforcement stress values is presented as a limiting load cycle diagram for piezoelements. It is established that reinforcement increases the dynamic mechanical strength of piezoceramic acoustic devices by at least 1.8 to 2.2 times, depending on the device type. In the fourth section of this research, the electrical strength of electromechanical acoustic device structures is investigated. It has been established that the physical reduction of electrical strength in electroacoustic devices is caused by insulation breakdown due to partial discharges, thermal aging of insulation materials, and moisture absorption by active elements. The reliability and durability of the electrical strength of radiating electroacoustic devices are influenced by factors such as the amplitude, frequency, and duration of applied excitation voltage, material humidity, ambient temperature, and self-heating of structural elements. In the fifth section, methods for thermal strength analysis of electromechanical acoustic devices are explored. The heating of piezoceramic devices due to internal heat generation is examined. A method for thermal field analysis is proposed, combining Fourier heat conduction equation solutions and finite element modeling. Thermal fields of rod and cylindrical electroacoustic devices are analyzed, determining stationary temperature distributions, heating times, and critical zones. Experimental validation was performed on a working rod-type electroacoustic device. Existing design practices for improving thermal strength are reviewed, including passive and active cooling techniques such as radiators, shape modifications, heatdissipating layers, depolarized piezoceramic elements, and filling structures with gas, liquid, or thermal paste. These measures improve thermal conductivity, reducing heating by 1.5–2 times and extending operational duration. The dissertation presents new insights into technical acoustics by analyzing interactions between physical fields during energy conversion in piezoceramic environments and acoustic field formation in elastic media. The study establishes theoretical foundations and calculation methods for mechanical, electrical, and thermal strength in radiating piezoceramic devices based on multimodal oscillatory systems.
dc.format.extent43 с.
dc.identifier.citationДрозденко, О. І. Теоретичні основи розрахунків та фізико-технічні засади конструювання електромеханічних приладів акустики пружних середовищ : реф. … д-ра техн. наук : 05.09.08 – прикладна акустика та звукотехніка / Дрозденко Олександр Іванович. – Київ, 2025. – 43 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/73640
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectконструкція
dc.subjectміцність
dc.subjectнавантаження електричні
dc.subjectнавантаження механічні
dc.subjectнавантаження теплові
dc.subjectперетворювач п'єзокерамічний електроакустичний
dc.subjectприлад електромеханічний
dc.subjectconstruction
dc.subjectelectrical loads
dc.subjectelectromechanical device
dc.subjectmechanical loads
dc.subjectpiezoceramic electroacoustic transducer
dc.subjectstrength
dc.subjectthermal loads
dc.subject.udc534.232
dc.titleТеоретичні основи розрахунків та фізико-технічні засади конструювання електромеханічних приладів акустики пружних середовищ
dc.typeThesis

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Drozdnenko_ref.pdf
Розмір:
2.48 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Автореферати (АМЕС)
Автореферати (вільний доступ)