Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Кафедра электронной техники и технологии
РЕФЕРАТ
На тему:
«Расчет и проектирование пассивных элементов
колебательных систем»
МИНСК
2008
Волноводы
Волноводы - стержни или трубки постоянного сечения, связывающие преобразователь с нагрузкой. В качестве нагрузки может быть концентратор, преобразователь колебаний, инструмент или технологическая среда. Волновод как согласующий элемент может быть включен в любое место этой цепочки.
Назначение:
1. Согласование механического сопротивления внешней нагрузки (инструмента, технологической среды) с внутренним сопротивлением активного элемента.
2. Крепление колебательной системы в технологической машине или другом устройстве.
Любой волновод характеризуется величиной затухания, добротностью, коэффициентом усиления, резонансной длиной и сдвигом фаз на резонансной частоте.
Волновод однородный
Рисунок 1 - Волновод однородный.
lp - резонансная длина волновода;
d1 - диаметр волновода (при другом сечении размеры определяющие поперечную площадь волновода).
, (1)
где с - скорость звука в материале волновода, м/с,
f0 - резонансная частота излучателя, Гц,
n=1, 2, 3… - целое число.
Сдвиг фаз: .
Волновод с сосредоточенной на конце массой
Рисунок 2 - Волновод с сосредоточенной на конце массой
При и ,
(2)
, (3)
где ц - сдвиг фаз на торцах волновода;
k0 - волновое число.
Волновод с сосредоточенной массой в любой точке
Рисунок 3 - Волновод с сосредоточенной массой в любой точке.
При условии, что и ,
где f0 - резонансная частота колебательной системы;
fp- резонансная частота волновода.
(4)
Ввиду того, что механические потери в преобразователе (активном элементе) больше, чем в концентраторе, частоту концентратора выбирают ниже, а частоту пакета выше резонансной частоты колебательной системы.
Таблица 1 Добротности некоторых материалов на частоте f0 = 20,0 кГц.
|
Материал
|
Ст45
|
Сталь 25НВА
|
Сплав ВТ-1
|
Латунь Л59
|
Алюминий
|
Медь
|
|
|
Добротность, Q
|
8000
|
6300
|
22000
|
13000
|
10000
|
6300
|
|
|
Концентраторы упругих колебаний
Концентраторы упругих колебаний - служат для усиления колебаний преобразователя (трансформаторы скорости), для трансформирования сопротивления механической нагрузки (среды) до значения близкого к оптимальному внутреннему сопротивлению активного элемента (трансформаторы сопротивлений, а также для преобразования одного вида колебаний в другой).
Поглощение энергии упругими средами описывается уравнением
, (5)
где I0 - подводимая энергия;
I - энергия на выходе устройства;
X - акустическая длина пути в устройств;
бП - коэффициент поглощения акустической энергии в среде.
Если энергия рассеивается в основном в виде тепла, то для некоторых материалов коэффициент поглощения акустической энергии можно оценить из таблица 2
Таблица 2 Коэффициент поглощения для некоторых материалов.
|
Материал
|
Al
|
Mg
|
Fe
|
Ст
|
Cu
|
|
|
бП
|
0,015
|
0,067
|
0,18
|
0,2…0,6
|
1,1
|
|
|
Ограничения при проектировании концентраторов
Ввиду того, что потери акустической энергии в преобразователе больше, чем в пассивном элементе, частоту пассивного элемента выбирают ниже резонансной f = (0,8…0,9)f0, а частоту преобразователя выше резонансной f = (1,1…1,2)f0.
Максимально допустимые амплитуды смещения на торце концентратора, исходя из усталостной прочности, не должны превышать (в мм):
- у ступенчатых ;
- у конусного ;
- каплевидного ;
у-1р - усталостная прочность материала (кгс/мм2).
Для:
Ст. 10 160…220 МПа
Ст. 20 200…250 МПа
Ст. 45 250…340 МПа
40 Х 320…380 МПа
40 ХНМА 500…700 МПа
D 16 115…120 МПа
ВТ 3-1 480…500 МПа
Различают следующие основные типы концентраторов: ступенчатый, экспоненциальный, конусный, катеноидальный, каплевидный.
Ступенчатый концентратор
Рисунок 4 - Ступенчатый концентратор.
(6)
Преимущества:
1. Прост в расчете и изготовлении.
2. Обеспечивает большой коэффициент усиления.
Недостатки:
1. Низкая механическая прочность в местах перехода.
2. Острая чувствительность к нагрузке.
Экспоненциальный концентратор
Рисунок 5 - Экспоненциальный концентратор.
(7)
Преимущества:
1. Обеспечивает высокий коэффициент усиления.
2. Устойчив к нагрузке.
3. хорошо просчитывается.
Недостатки:
1. Сложен в изготовлении.
Конусный концентратор
Рисунок 6 - Конусный концентратор.
(8)
Преимущества:
1. Устойчив в работе.
2. Прост в изготовлении.
Недостатки:
1. Коэффициент усиления меньше чем у двух первых.
Катеноидальный концентратор
Рисунок 7 - Катеноидальный концентратор.
,(9)
где v - наименьший положительный корень уравнения,
.
Каплевидный концентратор
Рисунок 8 - Каплевидный концентратор.
Состоит из трех частей. Участки 1 и 3 представляют собой части обычного ступенчатого концентратора. На участке 2 механическое напряжение максимальное и постоянное по величине.
(10)
Преимущества:
1. Высокий коэффициент усиления.
2. Простой расчет.
3. Устойчив в работе.
4. Высокая равномерность механических напряжений.
Недостатки:
1. Относительно сложный в изготовлении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проектирования радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов /О.В.Алексеев, А.А.Головков, И.Ю.Пивоваров и др.; Под ред. О.В.Алексеева. - М.: Высш. шк., 2000. - 479 с.
2. Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник/ А.П. Достанко, В.Л.Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев; Под общ. ред. А.П. Достанко. - Мн.: Выш. шк., 2002
3. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под ред. Р.Г. Варламова. - М.: Радио, 2000.