aref zaika

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗАЇКА ВАСИЛЬ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 681.518.3

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПРОЕКТУВАННЯ П'ЄЗОКЕРАМІЧНИХ

ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДЛЯ КОМП'ЮТЕРНИХ АКУСТИЧНИХ

ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

05.13.05 – комп‟ютерні системи та компоненти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Черкаси 2016

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 07 ” жовтня 2016 р. о 1000

год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради К73.052.04 Черкаського державного технологічного

університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460, в ауд. 229-ІІ к.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Черкаського державного

технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460,

корп. № 2.

Автореферат розісланий “ 06 ” вересня 2016 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.В. Ланських

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Бондаренко Юлія Юріївна,

Черкаський державний технологічний університет,

завідувач кафедри комп‟ютеризованих та

інформаційних технологій у приладобудуванні

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кошовий Микола Дмитрович

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний

інститут», завідувач кафедри авіаційних приладів

та вимірювань.

доктор технічних наук, професор

Ситніков Валерій Степанович

Одеський національний політехнічний

університет, завідувач кафедри комп‟ютерних

систем.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тема дисертаційного дослідження визначається

необхідністю вирішення задачі контролю, вимірювання та перетворення параметрів

динамічних процесів у приладах, а також вимірювальних і керуючих комп‟ютерних

системах, де широко застосовуються п'єзокерамічні електроакустичні перетворювачі

(ПЕАП). Ці перетворювачі є найбільш ефективними приймачами і

випромінювачами звукових і ультразвукових акустичних хвиль. Завдяки цьому

ПЕАП є невід'ємною частиною ультразвукових вимірювальних систем різних

комп‟ютерних комплексів. Для проектування ПП, що відповідають сучасним

вимогам конкурентоспроможності комп'ютерних систем, важливим етапом є

розробка та вдосконалення методів підвищення рівня звукового тиску, зменшення

резонансної та розширення робочої смуги частот цих перетворювачів.

Відмічено, що значний вклад у теорію і практику проектування ПП внесли

В. В. Богородський, Р. Г. Джагупов, В. И. Домаркас, Р-Й. Ю. Кажис,

А. А. Владишаускас, В. Б. Жуков, В. Р. Карлаш, В. Кеді, У. Мезон, А. Г. Лейко,

Г. М. Свердлін, А. І. Трофімов, М. О. Шульга, М. Д. Кошовий, В. С. Ситніков,

М. П. Мусієнко, В. М. Шарапов і учні його наукової школи п‟єзотехніки та багато

інших вітчизняних та іноземних учених.

У результаті роботи цих учених узагальнено результати як практичних, так і

теоретичних досліджень різних видів акустичних перетворювачів, тим не менш,

методи проектування, конструкції і схеми перетворювачів потребують подальшого

вдосконалення в зв‟язку з постійною зміною вимог щодо характеристик ПП.

Отже, вдосконалення характеристик існуючих п'єзокерамічних

електроакустичних перетворювачів, котрі застосовуються в комп'ютерних

вимірювальних системах, є актуальною науковою задачею, яка визначає тему

дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота

проводилася відповідно до науково-дослідних робіт: «Розробка нової технології

проектування і створення на її основі малогабаритних низькочастотних

п‟єзокерамічних перетворювачів для гідроакустики, електроакустики, комп'ютерної

техніки, приладобудування (№ 0113U003349) і «Розробка та дослідження нових

методів синтезу (проектування) мономорфних перетворювачів з використанням

просторово-кутової взаємодії вектора електричного поля і вектора поляризації»

(№ 0115U000716), де здобувач брав участь в якості виконавця частини розробки.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності

комп'ютерних акустичних вимірювальних систем шляхом розробки нових та

вдосконалення існуючих методів та засобів проектування п'єзокерамічних

перетворювачів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

2

- розробити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за

допомогою додаткових елементів шляхом використання в якості додаткових

елементів чвертьхвильових та об'ємних резонаторів та дослідити ефективність їх

використання з метою підвищення рівня звукової потужності;

- удосконалити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за

допомогою додаткових елементів шляхом використання трансформаторної

розв‟язки для створення в мономорфних п‟єзоелементах згинальних коливань;

- удосконалити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за

допомогою просторово-кутового зв'язку та дослідити ефективність його впливу на

характеристики мономорфних п‟єзокерамічних перетворювачів, зокрема для

створення в них згинальних коливань;

- підвищити ефективність визначення відстані шляхом розробки і дослідження

комп‟ютерної акустичної вимірювальної системи на основі отриманих зразків

перетворювачів.

Об'єктом дослідження є процеси перетворення електричної напруги в

акустичний сигнал в п'єзокерамічних перетворювачах.

Предметом дослідження є методи та засоби проектування п'єзокерамічних

електроакустичних перетворювачів для комп'ютерних акустичних вимірювальних

систем.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач удосконалення методів

проектування ПП використовувалися математичний апарат теорії коливань, метод

Релея-Рітца, метод електромеханічних аналогій, комп‟ютерне імітаційне

моделювання та експериментальні дослідження зразків перетворювачів.

Формулювання і чисельне розв‟язання задачі акустики і електропружності для

визначення амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) і рівня акустичного тиску

виконувалося програмними засобами пакета Comsol Multiphysics. Для аналізу

перетворювачів використані також метод фігур Хладні та кінцево-елементний аналіз

у програмі FemLab 3.5. Вірогідність отриманих наукових результатів і висновків

перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними.

Наукова новизна отриманих результатів:

- уперше розроблений метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за

допомогою додаткових елементів шляхом використання об'ємних та

чвертьхвильових резонаторів із фазоінверторами;

- удосконалено метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за


розв‟язки для створення в мономорфних п‟єзоелементах згинальних коливань;

- отримав подальший розвиток метод проектування п‟єзокерамічних

перетворювачів із урахуванням просторово-кутового зв'язку п'єзоелемента, зокрема

3

для випромінювачів низькочастотних електроакустичних хвиль на основі

мономорфних п'єзоелементів;

- удосконалено методи проектування п'єзокерамічних перетворювачів для

комп‟ютерних акустичних вимірювальних систем, що дозволило покращити їх

характеристики шляхом використання лінійної матриці ультразвукових приймачів

на основі розроблених ПЕАП.

Наукова та інженерно-технічна новизна дисертаційної роботи підтверджується

публікаціями та патентами України на корисні моделі.

Практичне значення отриманих результатів:

- удосконалені методи і моделі, схемні і конструктивні рішення розширили

науково-технічну базу проектування ПЕАП;

- удосконалено метод проектування перетворювачів – випромінювачів звуку

шляхом врахування просторової енергосилової структури п'єзоелемента, що

дозволило знизити робочу частоту перетворювачів на 40 кГц та підвищити в 10 разів

рівень звукового тиску;

- розроблено та досліджено схеми збудження перетворювачів - випромінювачів

у вигляді циліндричних п'єзоелементів, що дозволило збільшити рівень

створюваного звукового тиску на 30 дБ;

- розроблено нові схеми підключення мономорфних п'єзоелементів, що

забезпечують у 4 рази більші згинальні коливання, які дозволили на 20-25 дБ

збільшити рівень звукового тиску;

- запропонована та експериментально підтверджена доцільність підключення

до п‟єзоелемента додаткових електромеханічних контурів, зокрема чвертьхвильових

резонаторів для розширення смуги пропускання на 2 кГц і збільшення акустичної

потужності на 20-40 дБ;

- в якості другого контуру для розширення смуги пропускання на 800 Гц, а

також підвищення рівня звукового тиску на 30 дБ, запропоновано застосовувати

додаткові коливальні системи, а саме, об'ємні резонатори;

- для розширення смуги робочих частот на 6 кГц та підвищення рівня

звукового тиску на 28 дБ (25 раз), запропоновано вводити додатковий електричний

коливальний контур за допомогою індуктивності та об'ємного резонатора;

- розроблено стенд, який дозволяє проводити дослідження характеристик,

зокрема діаграми спрямованості, п'єзокерамічних перетворювачів, що працюють на

частотах до 60 кГц, з передаванням результатів вимірювання на ПК;

- розроблена комп‟ютерна акустична вимірювальна система з використанням

лінійної матриці ультразвукових приймачів на основі розроблених ПЕАП, що

дозволяє підвищити ефективність визначення відстані до об‟єкту до 10 разів (на

відстані в 2 м) у порівнянні з існуючими аналогами;

4

- результати досліджень впроваджено у виробництво, а саме, у ПАТ

«Укрп'єзо» та на державному підприємстві НВК «Фотоприлад», а також у

навчальному процесі в Черкаському державному технологічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, що містяться в

дисертаційній роботі, автором отримані самостійно. За результатами досліджень

опубліковано 31 роботу, в тому числі 6 одноосібних праць [7, 11, 12, 13, 24, 30] та 25

праць у співавторстві. У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту

належить: розробка та дослідження перетворювачів з об‟ємними резонаторами

[1, 5, 18-20]; методи синтезу п‟єзокерамічних перетворювачів, удосконалений метод

додаткових елементів [2, 10, 21-25]; розробка нових зразків п‟єзокерамічних

перетворювачів [3, 6, 9, 18-31]; методи покращення характеристик циліндричних

п‟єзокерамічних перетворювачів [4, 13, 22-31]; експериментальні дослідження

діаграм спрямованості п‟єзокерамічних датчиків у схемах ультразвукових

далекомірів [8]; дослідження АЧХ перетворювачів у залежності від кута між

вектором поляризації та вектором напруженості електричного поля [14-16];

встановлення оптимальних співвідношень між опорами та ємностями

п‟єзоелементів у ланцюзі зворотного зв‟язку [17].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи

доповідалися й обговорювалися на IV Міжнародній молодіжній науково-технічній

конференції «Людина і космос» (11-13.04.2012 р., Дніпропетровськ); на науково-

технічної конференції «Фізика, електроніка, електротехніка ФЕЕ-2014»,

(21-26.04.2014 р., Суми); на II міжнародній науково-практичній конференції

«Інформаційні технології в освіті, науці і техніці ІТОНТ-2014» (24-26.04.2014 р.,

Черкаси); на 10-й міжнародній молодіжній науково-технічній конференції

«Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2014»

(12-17.05.2014 р., Севастополь); на ІІ міжнародній науково-технічній конференції

«Проблеми інформатизації» (25-26.11.2014 р., Черкаси–Тольятті); на науково-

технічній конференції «Фізика, електроніка, електротехніка ФЕЕ-2015»

(20-25.04. 2015 р., Суми); на ІІІ міжнародній науково-технічній конференції

«Проблеми інформатизації» (12-13.11.2015 р., Черкаси – Баку – Бельсько-Бяла –

Полтава); на IIІ міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні

технології в освіті, науці і техніці ІТОНТ-2016» (12-14.05.2016 р., Черкаси).

Публікації. Результати дослідження опубліковані у 31 науковій роботі, в тому

числі в 9-ти статтях у фахових виданнях (дві з яких у закордонних виданнях),

8-ми доповідях на конференціях та 14-ти патентах України на корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п‟яти розділів,

висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації

складає 203 сторінки, в тому числі 153 сторінки основної частини. Робота містить 94

рисунки, 9 таблиць, 3 додатка.

5

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність дисертаційної роботи,

сформульовано мету і задачі, визначено об‟єкт, предмет і методи дослідження,

наукову новизну та теоретичну і практичну цінність отриманих результатів, їх

зв'язок з науковими програмами, подано інформацію про апробацію публікацій та

застосування результатів дослідження.

У першому розділі представлено аналіз науково-технічного розвитку відомих

п'єзокерамічних перетворювачів (ПП), відомих методів проектування та покращення

технічних характеристик ПП, визначено основні вимоги, які пред'являються до ПП

на етапі проектування, вплив застосування додаткових елементів на їх

характеристики, перспективи використання ПП та чутливих елементів на їх основі в

комп'ютерних системах.

У другому розділі розглянуті методи синтезу електроакустичних

перетворювачів за допомогою механічних додаткових елементів у вигляді

акустичних коливальних систем. Вони використовуються у вигляді порожнин або

каналів, які в поєднанні можуть утворювати складні пристрої, за своєю дією

аналогічні резонансним контурам або фільтрам. Прикладом такої акустичної

коливальної системи є чвертьхвильовий резонатор, який представляє конструкцію

циліндричної форми з відкритою горловиною. Повітря в горловині є масою, що

коливається, а об'єм повітря в середині конструкції відіграє роль пружного

елементу. Необхідна довжина резонатора розраховується формулою:

.4

oCL

F . (1)

де F - частота, Гц; C0- швидкість звука в повітрі (340 м/с); L - довжина резонатора, м.

Для експериментів використовувався перетворювач ЗП-19, на якому був

закріплений порожнистий циліндр завдовжки 37 мм, виготовлений із бронзи

завтовшки 0,2 мм. Конструкція перетворювача з чвертьхвильовим резонатором і

його АЧХ показані на рис. 1.

Рис. 1. Перетворювач з чвертьхвильовим резонатором: 1 – п‟єзоелемент;

2 – металева пластина; 3 – корпус; 4 – циліндр; а – конструкція; б – АЧХ:

1 – без резонатора; 2 – з резонатором

а б

6

Рис. 2. Комп'ютерне моделювання

в програмі COMSOL Multiphysics,

при збудженні в резонаторі

акустичних хвиль

Як видно з рис. 1. б, застосування

чвертьхвильового резонатора дозволило

збільшити рівень звукового тиску на 30 дБ.

На рис. 2 представлена модель,

розробленого п‟єзокерамічного перетворю-

вача в програмі COMSOL Multiphysics, яка

наглядно демонструє розподілення

акустичного тиску в акустичному

резонаторі. Розміри моделі відповідають

реальним розмірам резонатора.

З рис. 2 видно, що акустична енергія, яка

створюється п‟єзоелементом під час проходження через чвертьхвильовий резонатор,

створює максимальну концентрацію випромінювання в його верхній частині, тим

самим характеризуючи його властивість до підсилення акустичного тиску.

На рис. 3 представлено графік залежності зміни розподілення акустичного

тиску в чвертьхвильовому резонаторі.

Зміни характеристик можна також

досягти шляхом збільшення довжини

акустичного резонатора, завдяки чому можна

підвищити рівень звукового тиску і

розширити смугу робочих частот. АЧХ

перетворювача із збільшеною довжиною

резонатора показані на рис. 4.

Для підвищення акустичної потужності з

чвертьхвильовими резонаторами можливо

застосовувати і фазоінвертори.

Ідея такого вдосконалення методу

зумовлена тим, що коливання повітря

у відкритому отворі резонатора

виникають з верхнього і нижнього

боку п‟єзоелемента, то для досягнення

синфазності потрібно повернути фазу

випромінювання на 180°.

На рис. 5. представлено АЧХ та

розроблені експериментальні зразки

ЕАП з об'ємним повітряним

резонатором та фазоінвертором.

Рис. 3. Графік залежності зміни

розподілення акустичного

тиску в чвертьхвильовому

резонаторі

Рис. 4. АЧХ ЕАП із збільшеною

довжиною резонатора: 1 – ПП без

резонатора; 2 – h = /4 = 37 мм; 3 – h =

2/4 = 74 мм; 4 – h = 3/4 = 111 мм; 5 – h

= 4/4 = 148 мм; 6 – h = 5/4 = 185 мм.

7

Умови інверсії фази найпростіше з'ясувати шляхом розгляду еквівалентної

електричної схеми (рис. 6. а) електроакустичного перетворювача з об'ємним

резонатором та фазоінвертором. Структурна схема цього ЕАП показана на рис. 6. б.

Моделювання ЕАП з фазоінвертором було проведене в пакеті прикладних програм

математичного моделювання MathCad 11.

Рис. 5. Об'ємний резонатор: 1 – п‟єзоелемент; 2 – резонатор; а – з одним

відгалуженням; б – з двома відгалуженнями у вигляді кругового сегменту: в – АЧХ:

1 – без резонатора; 2 – з резонатором та одним відгалуженнями; 3 – з резонатором та

двома відгалуженнями

….

а б

Рис. 6. Еквівалентні схеми: а – електрична; б – структурна схема ЕАП з

об'ємним резонатором та фазоінвертором

Передаточна функція перетворювача з фазоінвертором має вигляд:

1 2 3 4 5 2 3 4 5 8

4 5 6

2 ( ( ) ( ) ( ) ( )( ) .

1 ( ) ( )

W W W p W p W W W p W p W WW p

W p W W p

(2)

На схемі, яка показана на рис. 6. б,

ланка W6(р) відповідає умові інверсії фази:

30 06 0( ) 8,5 10

2 4

c a aW p f

V V

. (3)

01.

2

c a

Vmc

(4)

На рис. 7 показано АЧХ для

математичної моделі ЕАП з об'ємним

повітряним резонатором та фазоінвертором. З рис. 7 видно, що математична модель

дає змогу достовірно точно описувати характеристики ЕАП з фазоінвертором, що

дозволить точніше прогнозувати та оцінювати їх АЧХ. Експериментальні

дослідження показали, що застосування фазоінвертора з об'ємним повітряним

резонатором дозволяє підвищити вихідну акустичну потужність в 3 – 5 разів та

більше, а також розширити частотну смугу пропускання.

Рис. 7. АЧХ математичної

моделі ЕАП з фазоінвертором

0 800 1.6 103

? 2.4 103

? 3.2 103

?

0

60

70

80

Рзв, дБ

f, Hz

а б в

8

Рис. 9. Комп'ютерне

моделювання в програмі

COMSOL Multiphysics

Рис. 8. П‟єзоперетворювач

Ø 66 мм, з додатковими

електродами:

1– Ø 10 мм; 2 – Ø 20 мм;

3 – Ø30 мм; 4 – Ø 40 мм

№ Схема L, Гн Pзв, дБ

1 1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

LI = 0,25

LII = 1,5 108

2 1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

LI = 0,18

LII = 0,82 109

3 1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

LI = 0,12

LII = 1,15 112

Результативним виявився також метод додаткового коливального контуру, який

був удосконалений у роботі шляхом додавання до електродів п‟єзоелемента

трансформаторної розв‟язки з метою збудження в п‟єзоелементі бігучої хвилі, яка

була необхідна для отримання згинальних коливань.

Для створення деформацій вигину був використаний поперечний п‟єзомодуль

d31, який забезпечував більший вигин п‟єзоелемента при меншій резонансній

частоті. Для дослідження був взятий п‟єзоелектричний перетворювач марки ЦТС-19

Ø 66 мм, на якому методом хімічного витравлювання створили додаткові електроди

1, 2, 3, 4 і 1´, 2´, 3´, 4´. Конструкція розробленого перетворювача представлена на

рис. 8, схеми включення та результати дослідних вимірювань приведені в табл. 1.

Таблиця 1. – Схеми включення ПП

Як видно з табл. 1, застосування

трансформаторної розв'язки дозволяє створити в

п‟єзоелементі згинальні коливання, які приводять до

збільшення вихідного акустичного тиску.

На рис. 9 представлені результати

комп‟ютерного моделювання п‟єзокерамічного

перетворювача при збудженні п‟єзокерамічної

пластини бігучою хвилею. Розміри моделі

відповідають реальним розмірам розробленого

акустичного перетворювача, що показано на рис. 8.

Перетворювач складається з п‟єзоелемента ЦТС-19, d = 66 мм з внутрішніми

діаметрами кілець: 10, 20, 30, 40 мм.

З отриманих даних можна зробити висновок, що збудження в п‟єзоелементі

бігучої хвилі дозволяє істотно збільшити його згинальні коливання для отримання

максимальної вихідної акустичної потужності. Згинальні коливання цієї конструкції

складають 300 мкм, що в 4 рази більше, ніж у звичайного перетворювача із

стандартним підключенням.

У третьому розділі досліджувалися модифікації методу додаткових елементів,

основною метою яких було підвищення акустичної потужності та зменшення

резонансної частоти шляхом додавання до перетворювача об'ємного резонатора.

9

Для роботи в повітряному середовищі в електроакустичних перетворювачах

широко використовуються акустичні коливальні системи. Прикладом такої системи

є об‟ємний резонатор (рис. 10. в), який складається з біморфного п‟єзоелемента 1

(рис. 10. а) та резонатора 2, виготовленого з бронзи завтовшки 0,2 мм, діаметром

30 мм і довжиною – 40 мм (рис. 10. б). У середині резонатора присутня перетинка 3

з отвором Ø4 мм, положенням якої можна змінювати об'єм резонатора.

АЧХ розробленого перетворювача, які представлені на рис. 11, показали, що

така конструкція та підключення акустичного резонатора дозволили збільшити

рівень звукового тиску на 20-30 дБ і розширити смугу робочих частот.

Рис. 10. ЕАП з об‟ємним акустичним резонатором: 1 – п‟єзоелемент;

2 – циліндр; 3 – перетинка з отвором; а – перетворювач ЗП-19 (вигляд з боку

п‟єзоелемента); б – ЗП-19 з акустичним резонатором; в – конструкція перетворювача

Рис. 11. АЧХ електроакустичного перетворювача з об'ємним резонатором

Подальші дослідження показали, що біморфний елемент у перетворювачі,

зображеному на рис. 11, навантажений не симетрично: з одного боку це об‟ємний

резонатор, а з іншого - об'єм середовища, в якому встановлений перетворювач.

Для симетрії в конструкцію перетворювача рис 12, було запропоновано ввести

за допомогою кришок 6 і 8 додатковий замкнутий об'єм, тобто ще одну коливальну

систему (ще один резонатор).

Рис. 12. Перетворювач із симетричним навантаженням: 1 – п‟єзоелемент;

2 – корпус з отвором; 3 - 4 – кришка з отвором; 5 - 6 – кришка; а – конструкція;

б – АЧХ: крива 1 – перетворювач із несиметричним навантаженням; крива 2 –

перетворювач із симетричним навантаженням

крива 1 - АЧХ ЗП-19 (рис. 10. а);

крива 2 - АЧХ з відкритим

резонатором (рис. 10. б);

крива 3 - АЧХ з акустичним

резонатором об'ємом 8 см3;

крива 4 - АЧХ з акустичним

резонатором об'ємом 16 см3.

а б

а б в

10

Рис. 13. Розрахункова схема

резонатора: 1 – п‟єзоелемент;

2 – корпус з отвором

O R0 R

z

h + b

h

I II

III

1

2

Як видно з рис. 12, використання об‟ємних резонаторів знижує робочу частоту

перетворювача на 800 Гц та підвищує рівень звукового тиску на 15 дБ.

Для ПЕАП, що складається з п‟єзоелемента 1 і корпуса з отвором 2 (рис. 10. в),

побудована і досліджена математична модель.

Усереднене значення амплітуди аксіального зсуву матеріальних частинок

повітряного середовища в площинах 0z та bhz (рис. 13) визначається

наступними співвідношеннями:

2

2 2

0 0 0

1 20

R R

z z zu W d d W dR R

, 0

2

0 0

2R

z zu h b u ,h b d .R

(5)

Коефіцієнт передачі або коефіцієнт

концентрації ,K можна визначити

наступним розрахунковим співвідношенням:

02

2

0 0 0

, , .

R R

z z

RK u h b d W d

R

(6)

де - набір геометричних параметрів;

( )ρWz – амплітуда аксіальних зсувів; 0R – радіус

отвору; h – висота резонатора.

Для зниження робочої частоти ЕАП можна

застосовувати кільцеві електроакустичні

перетворювачі (КЕАП). Для даного типу перетворювачів електроди наносяться на

внутрішню і зовнішню бічні поверхні циліндричного п‟єзоелемента, а він сам

поляризується у напрямку радіусу.

На рис. 14 показана конструкція і АЧХ кільцевого електроакустичного

перетворювача, який представляє собою електромеханічну коливальну систему.

Рис. 14. Кільцевий електроакустичний перетворювач: а - п‟єзоелемент; б - АЧХ

Зниження робочої (резонансної) частоти і підвищення рівня звукового тиску

дозволяють збільшити дальність дії перетворювачів, а розширення смуги

пропускання перетворювачів - поліпшити характеристики каналів зв'язку.

Для досягнення поставленої мети та для покращення характеристик кільцевого

п‟єзоелемента запропоновано використати метод додаткових елементів. На рис. 15. а

показана конструкція кільцевого електроакустичного перетворювача з додатковими

коливальними системам.

а б

11

Для збільшення рівня звукового тиску до торців КЕАП потрібно закріпити

металеві диски 2 та 3 (рис. 15. б), що в свою чергу створюють об'ємний резонатор із

внутрішнім об'ємом циліндричної форми. Результати вимірювань АЧХ показані на

рис. 15. в. Як видно з рисунка, закріплення металевих дисків до торців КЕАП

дозволило збільшити рівень вихідного звукового тиску для частоти 4,5 кГц на 35 дБ,

а для частоти 10 кГц - на 17 дБ.

3

12

а б в

Рис. 15. КЕАП: 1 – кільцевий ПЕ; 2 – металевий диск (низ); 3 – металевий диск

(верх); 4 – отвір; а – з металевим диском; б – з об'ємним резонатором; в – АЧХ:

крива 1 - АЧХ КЕАП без резонатора; крива 2 - АЧХ КЕАП з металевим диском;

крива 3 - АЧХ КЕАП з об'ємним резонатором

У четвертому розділі описані методи створення низькочастотних коливань

ПЕАП. Раніше вважалося, що в мономорфних п‟єзоелементах згинальні коливання

не виникають. Проте цей факт було спростовано та експериментально доведено

можливість виникнення низькочастотних коливань у мономорфних п‟єзоелементах.

В основу досліджень було покладено використання просторово-кутової взаємодії

електричних полів, суть якої полягає в отриманні максимальних згинальних

коливань п'єзоелемента та збільшенні його вихідної акустичної потужності.

На рис. 16. а, б, в представлені конструкції, а на рис. 17 - АЧХ перетворювачів,

в яких враховувалася просторово-кутова взаємодія електричних полів

п‟єзоелемента. З рис. 17 видно, що для схем, де кут α≈60°, рівень звукового тиску

зріс приблизно на 25 дБ у порівнянні з перетворювачем, у якого α=0°. Для

експериментів використовувався дисковий п'єзоелемент Ø66×3 мм з п'єзокераміки

ЦТС – 19. На рис. 16. в представлена схема перетворювача з кутом α≈60°, до якого

приєднана додаткова індуктивність Lдод=0,98 Гн, що разом з міжелектродною

ємністю п‟єзоелемента утворює послідовний коливальний контур.

а б в

Рис. 16. Схеми підключення п'єзоелементів: а – α=0º; б – α=60º; в – α=60º при

Lдод=0,98 Гн, C1,4-2„,3„=1,7 нФ

12

1

2

3

Рис. 17. АЧХ перетворювача з

об'ємним резонатором та

фозоінвертором: крива 1 – АЧХ

при α=0°; крива 2 – АЧХ при

α=60°; крива 3 – АЧХ при α=60°;

Lдод = 0,98 Гн; C1,4–2„,3„=1,7 нФ

Значення додаткової індуктивності

отримано шляхом розрахунків за

формулою:

2 21

4.дод

р елf СL

(7)

де Cел – ємність між електродами 1–4 і

2'–3', fр – резонансна частота.

Найбільш ефективним методом

чисельного моделювання складних

систем є метод кінцевих елементів. Тому

на його основі були здійснені

розрахунки п‟єзоперетворювача в

програмі FEMLAB, COMSOL

Multiphysics (рис. 18). Розбиття області на підобласті відбувалося за допомогою

квадратичних трьохосьових елементів сітки. Для моделювання використовувалася

нестаціонарна лінійна модель з частотним типом аналізу та параметричним

вирішувачем Direct (SPOOLES). Загальна форма (PDE) шаблону математичного

рівняння має вид:

2.

2

u ue d Г fa a tt

(8)

Вираз (8) у COMSOL Multiphysics

перетворюється в матричне рівняння, і його можна

переписати із застосуванням індексів у наступному

вигляді: 2

21

.n s

j jij ij ік i

a a kk k q

u ue d Г f

t t x

(9)

Тут і,j = 1, 2 …n, де n – кількість шуканих

функцій і відповідно кількість рівнянь; Uj - елемент шуканого вектора u; fi - елемент

задаючого вектора f ; eaij, da

ij - матричні елементи квадратних матриць еа і da, які

мають розмірність, рівну

n х n. Співвідношення 1

Sік

kk x

Г

є скалярним видом

s-мірного градієнта і матриці Γ, розмірності n х n.

У п'ятому розділі представлені результати практичного застосування

вдосконалених методів проектування електроакустичних перетворювачів із

покращеними характеристиками на прикладі розробки та дослідженні комп‟ютерної

вимірювальної системи.

Оскільки діаграма спрямованості є найбільш інформативним засобом при

проектуванні п'єзокерамічних електроакустичних перетворювачів, розроблений

Рис. 18. Просторова кінцево-

елементна модель п‟єзо-

керамічного перетворювача

13

стенд для автоматичного зняття характеристик перетворювача з акустичним

способом визначення діаграми спрямованості. Структурна схема, загальний вигляд

стенду для визначення діаграми спрямованості та вид вікна програми для обробки і

прийому результатів на ПК представлені на рис. 19. а, б, в.

Основними елементами схеми є персональний комп'ютер (ПК), акустичний

датчик (АД) з прецизійним J-Fet транзистором на виході, система передачі даних на

комп'ютер (СПД). Живлення схеми відбувається від USB-порту ПК.

Система передачі даних на комп'ютер і управління приводним пристроєм

здійснюється за допомогою мікроконтролера PIС18F2550 через USB-інтерфейс

комп'ютера. Прийняті дані обробляються за допомогою програми LabView 11.

Калібрування показань розробленого стенду здійснювалося за допомогою шумоміра

фірми RFT 00024. На визначеній відстані розташовувалися два симетрично

закріплених датчика. Вимірювання акустичної потужності виконувалося на різній

висоті від джерела звукових коливань (крок вимірювань складав 20 мм).

Для перевірки працездатності вдосконалених перетворювачів розроблена і

досліджена схема акустичного вимірювального пристрою. На рис. 20. а, б показані

його структурна та електрична схеми. Часові діаграми роботи пристрою

представлені на рис. 20. в. Електрична схема побудована на базі персонального

комп'ютера і мікроконтолеру PIC16F886. Акустичний вимірювальний пристрій

генерує посилку на частоті 40 кГц, яка складається з 8 ультразвукових імпульсів.

Час опитування датчика в режимі прийому сигналу складає 50 мс.

В акустичному вимірювальному пристрої, що працює за розглянутим вище

принципом, важливою проблемою є забезпечення необхідної точності вимірювань,

оскільки неідеальність діаграми спрямованості випромінювача і коливання

швидкості розповсюдження ультразвукових хвиль помітно знижують точність

визначення положення об'єкту.

а б

в

Рис. 19. Стенд для визначення діаграми

спрямованості: а) структурна схема стенду:

1 – ПК; 2 – СПД; 3 – АД; 4 – поворотний

пристрій; б – зовнішній вигляд; в – вікно

програми для обробки даних на комп'ютері

14

Для вирішення цих проблем був розроблений інший принцип роботи

акустичного вимірювального пристрою за допомогою лінійної матриці

ультразвукових приймачів, суть якого зводиться до того, що приймачі ехо-сигналу

розташовуються симетрично по обидва боки від одиночного випромінювача

(рис. 21). Усереднення інформації про місцезнаходження перешкоди, що надходить

від кожного приймача, дозволяє підвищити точність визначення положення об'єкту.

Координати об'єкту Х0, Y0

визначається з наступних виразів:

2 2 2 2

0 .2

m n

n m

mn m n d c nt mtr

c mt nt

(10)

2 2 2 2

0 ,2

n m m n m n

mn

n m

m t n t d c t t t tX

d mt nt

(11)

2 2

0 0 0 .mn mnY r X (12)

0 0 0 ,mn mn mn mnX p Wi X q Wd X (13)

0 0 0 .mn mn mn mnY p Wi X q Wd X (14)

де t - час розповсюдження сигналу;

с - швидкість звуку; d - відстань між

датчиками і приймачами; Wimn і Wdmn, - вагові коефіцієнти інтенсивністю прийому.

Результати порівняння координат об‟єкту, отриманих за цими формулами, з

результатами прямих вимірювань для відповідних пар приймачів указують на

підвищення ефективності визначення положення об'єкту до 10 разів

(на відстані в 2 м) у порівнянні з існуючими аналогами.

Рис. 21. Визначення положення

об'єкту за допомогою лінійної

матриці ультразвукових приймачів:

Т - випромінювач; R - приймач; Х0,

Y0 - координати об'єкту; r0 - відстань

від випромінювача до об'єкту

а

в

б

Рис. 20. Акустичний вимірювальний

пристрій:

а – структурна схема;

б – електрична схема;

в – часові діаграми.

15

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу, яка

полягає в підвищенні ефективності комп'ютерних акустичних вимірювальних

систем шляхом розробки нових та вдосконалення існуючих методів та засобів

проектування п'єзокерамічних перетворювачів. Удосконалення та розробка методів

проектування п'єзокерамічних перетворювачів відбувалися за допомогою

додаткових елементів, шляхом використання чвертьхвильових та об'ємних

резонаторів, трансформаторної розв‟язки та просторово-кутового зв'язку

п‟єзоелемента.

1. Уперше розроблений метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за

допомогою додаткових елементів шляхом використання об'ємних та

чвертьхвильових резонаторів із фазоінверторами, що дозволило розширити смугу

пропускання та збільшити акустичну потужність комп'ютерних акустичних

вимірювальних систем на їх основі.

2. Удосконалено метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за


розв‟язки для створення в мономорфних п‟єзоелементах згинальних коливань.

3. Отримав подальший розвиток метод проектування п‟єзокерамічних

перетворювачів із урахуванням просторово-кутового зв'язку п'єзоелемента, зокрема

для випромінювачів низькочастотних електроакустичних хвиль на основі

мономорфних п'єзоелементів, для яких було знижено робочу частоту та підвищено

рівень звукового тиску.

4. Удосконалено методи проектування п'єзокерамічних перетворювачів для

комп‟ютерних акустичних вимірювальних систем, що дозволило покращити їх

характеристики, зокрема підвищити ефективність визначення відстані, шляхом

використання лінійної матриці ультразвукових приймачів.

5. Врахування просторово енергосилової структури п'єзоелемента дозволило

знизити робочу частоту перетворювачів на 40 кГц та підвищити в 10 разів рівень

звукового тиску. Використання схеми збудження перетворювачів у вигляді

циліндричних п'єзоелементів забезпечило збільшення рівня звукового тиску на

30 дБ. Використання нових схем підключення мономорфних п'єзоелементів з

трансформаторною розв‟язкою дозволило збільшити в 4 рази згинальні коливання.

Використання чвертьхвильових резонаторів дозволило розширити смугу

пропускання на 2 кГц та збільшити акустичну потужність на 20-40 дБ, а

використання додаткового електричного коливального контуру з об'ємним

резонатором - розширити смугу робочих частот на 6 кГц та підвищити рівень

звукового тиску на 28 дБ (у 25 разів). Використання лінійної матриці

ультразвукових приймачів на основі розроблених ПЕАП дозволяє (на відстані в 2 м)

підвищити ефективність визначення відстані до об‟єкту до 10 разів.

16

У результаті роботи розширена науково-технічна база проектування

п‟єзокерамічних електроакустичних перетворювачів, що дає можливість створювати

стаціонарні та мобільні акустичні вимірювальні системи з покращеними

характеристиками.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шарапов В.М. Применение объемных воздушных резонаторов в

электроакустических преобразователях [Текст] / В.М. Шарапов, В.М. Заика, Л.Г.

Куницькая, І.М. Пивовар // Вісник Черкаського державного технологічного

університету, 2012. – №1 – с. 43 – 46.

2. Шарапов В.М. Повышение уровня звукового давления электроакустических

преобразователей [Текст] / В.М. Шарапов, В.М. Заика, Ж.В. Сотула, А.М. Коваленко

// Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2013. №1 – с. 43 – 46.

3. Шарапов В.М. Влияние конструктивных элементов на характеристики

пьезокерамических электроакустических преобразователей [Текст] / В.М. Шарапов,

О.Н. Петрищев, В.М. Заика, Ж.В. Сотула, А.М. Салагор // Вісник Черкаського

державного технологічного університету, 2013. – №3 – с. 66 – 69.

4. Шарапов В.М. Улучшение характеристик кольцевого электроакустического

преобразователя [Текст] / В.М. Шарапов, В.Г. Савин, В.М. Заика, Ж.В. Сотула,

А.М. Салагор // Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2013.

– №3 – с. 70 – 74.

5. Шарапов В.М. Применение объѐмных резонаторов в пьезокерамических

электроакустических преобразователях [Текст] / В.М. Шарапов, Ж.В. Сотула, А.М.

Салагор, В.М. Заика // Производственно – практический журнал «Современная

электроника», Москва. – 2013. – №5 – с. 58 – 60.

6. Шарапов В.М. Пьезоэлектрический преобразователь с резонатором

Гельмгольца [Текст] / В.М. Шарапов, А.С. Совлуков, К.В. Базило, Ж.В. Сотула,

В.М. Заика // Научно-технический и производственный журнал «Датчики и

системы», Москва. – 2014. – №3 – с. 18 – 21.

7. Заїка В.М. Покращення акустичних характеристик п‟єзоелектричного

перетворювача для ультразвукових вимірювальних систем [Текст] / В.М. Заїка //

Вісник Хмельницького національного університету, 2014. – №3 – с. 46 – 49.

8. Заика В.М. Улучшение характеристик электроакустических

преобразователей для устройств ультразвуковой дальнометрии [Текст] / В.М. Заика,

К.В. Базило, В.В. Туз, О.И. Маштапа // Науково-методичний журнал. – Вип. 238. Т.

250. Комп‟ютерні технології, Миколаїв: ЧДУ ім. Петра Могили. – 2014. – с. 54–58.

9. Шарапов В.М. Исследование влияния длины акустического резонатора на

характеристики пьезоэлектрического излучателя [Текст] / В.М. Шарапов, К.В.

Базило, О.И. Маштапа, В.М. Заика // Вісник Черкаського державного

технологічного університету, 2014. – №4 – с. 30 – 33.

17

10. Шарапов В.М. Повышение звуковой мощности электроакустических

пьезокерамических преобразователей [Текст] / В.М. Шарапов, С.А. Филимонов,

В.М. Заика // XIV Міжнародна молодіжна науково-технічна конференція «Людина

і космос», 11-13 квітня 2012. – с. 12.

11. Заика В.М. Улучшение акустических характеристик ультразвуковых

измерительных систем [Текст] / В.М. Заика // Матеріали науково-технічної

конференції Фізика, електроніка, електротехніка: ФЕЕ 2014. – 21-26 квітня 2014

Суми: – 2014. – с. 155.

12. Zaika V.M. Influence of construction elements on the characteristics of the

piezoceramic transducer [Текст] / V.M. Zaika // Тези II міжнародної науково –

практичної конференції “Інформаційні технології в освіті, науці і техніці (ІТОНТ

2014)”, 24-26 квітня 2014. Черкаси: – 2014 – с. 40– 41.

13. Заика В.М. Улучшения характеристик кольцевого электроакустического

преобразователя [Текст] / В.М. Заика // 10-я международная молодежная научно-

техническая конференция “Современные проблемы радиотехники и

телекоммуникаций (РТ-2014)” 12-17 мая 2014 Севастополь: – 2014 – с. 208.

14. Lositskyi V.V. Research piezoceramic transformer with oscillating system of

different physical nature [Текст] / V.V. Lositskyi, V.M. Zaika // Тези доповідей другої

міжнародної науково технічної конференції “Проблеми інформатизації”, 25-26

листопада 2014 р. (Черкаси – Тольятті). 2014 – с. 41.

15. Заика В.М. Пьезотрансформатор с колебательными системами различной

физической природы [Текст] / В.М. Заика, Бондаренко Ю.Ю. // Матеріали науково-

технічної конференції Фізика, електроніка, електротехніка: (ФЕЕ 2015). 20-25 квітня

2015. Суми: – 2015. – с. 152.

16. Заика В.М. Влияния пространственно угловой связи на характеристики

пьезопреобразователя [Текст] / В.М. Заика, Бондаренко Ю.Ю. // Третя міжнародна

науково-технічна конференція проблеми інформатизації 12-13 листопада 2015 року

(Черкаси – Баку – Бельсько-Бяла – Полтава): – 2015. – с.74.

17. Заїка В.М. Схемотехнічне моделювання електроакустичного

перетворювача з п'єзоелементом у колі зворотного зв'язку підсилювача заряду

[Текст] / В.M. Заїка, В.В. Туз // Тези IІI міжнародної науково – практичної

конференції “Інформаційні технології в освіті, науці і техніці (ІТОНТ 2016)”, 12-14

травня 2016. Черкаси: – 2016 – с. 125– 127.

18. Пат. на корисну модель 82661 Україна, МПК H04R 17/00.

Електроакустичний перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Сотула Ж.В.

– № u201303017; заяв. 11.03.2013; опубл. 12.08.2013, Бюл. №15.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Коваленко А.М,

Заїка В.М. – № u201303002; заяв. 11.03.2013; опубл. 12.08.2013, Бюл. №15.

18


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Коваленко

А.М. – № u201302972; заяв. 11.03.2013; опубл. 27.08.2013, Бюл. №16.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Сотула Ж.В.,

Салагор А.М. – № u201310710; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.02.2014, Бюл. №4.








Електроакустичний перетворювач [Текст] / Заїка В.М. – № u201310689; заяв.

05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Заїка В.М., Маштапа О.І., Петрушко

Ю.А. – № u201310690; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

26. Пат. на корисну модель 88556 Україна, МПКH04R 17/00.

Електроакустичний перетворювач [Текст] / Салагор А.М., Заїка В.М. –

№ u201310692; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Салагор А.М., Лейко О.Г., Савін В.Г.,

Петрищев О.М., Заїка В.М., Петрушко Ю.А. – № u201310693; заяв. 05.09.2013;

опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Сотула Ж.В., Салагор

А.М., Заїка В.М. – № u201310706; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Сотула Ж.В., Салагор

А.М., Заїка В.М. – № u201310707; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Заїка В.М. – № u201407780; заяв.

10.07.2014; опубл. 25.02.2015, Бюл. №4.


Електроакустичний перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Базіло К.В., Петрищев

О.М., Заїка В.М. – № u201407782; заяв. 10.07.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл. №7.

19

АНОТАЦІЯ

Заїка В.М. Методи та засоби проектування п'єзокерамічних перетворювачів для

комп'ютерних акустичних вимірювальних систем – На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за

спеціальністю 05.13.05 – комп'ютерні системи та компоненти. Черкаський

державний технологічний університет, Черкаси, 2016.

Дисертаційна робота присвячена актуальним питанням подальшого

вдосконалення методів проектування п‟єзокерамічних перетворювачів.

У дисертації проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення

п‟єзокерамічних перетворювачів, які використовуються в комп'ютерних

вимірювальних системах, системах автоматичного управління і дали можливість

встановити ряд закономірностей, аналіз яких говорить про те, що сформульована в

роботі мета досягнута.

У результаті досліджень були удосконалені та отримали подальший розвиток

відомі методи проектування п‟єзокерамічних перетворювачів, що дозволяють по–

новому, більш раціонально, здійснювати конструювання п‟єзокерамічних

перетворювачів. Удосконалено методи проектування (синтезу) п‟єзокерамічних

перетворювачів шляхом включення в електричне коло додаткових елементів:

об‟ємних та чвертьхвильових резонаторів, індуктивності або їх комбінації, що

дозволяє розробляти п'єзоелектричні перетворювачі з покращеними

характеристиками. Удосконалені методи синтезу п‟єзокерамічних перетворювачів,

які враховують просторову енергосилову структуру п'єзоелемента, взаємне

розташування електродів і їх комутацію, врахування просторового

електромеханічного зворотного зв'язку. В якості другого контуру для розширення

смуги пропускання, а також підвищення рівня звукового тиску запропоновано

застосовувати об'ємні резонатори. Розроблено нові схеми підключення

мономорфних п'єзоелементів, що дозволило створювати в 4 рази більші згинальні

коливання, котрі дозволили на 20-25 дБ збільшити рівень звукового тиску.

Розроблено та досліджено схеми збудження перетворювачів - випромінювачів у

вигляді циліндричних п'єзоелементів, що дозволило збільшити рівень створюваного

звукового тиску на 30 дБ. Отримав подальший розвиток метод проектування

п‟єзокерамічних перетворювачів, що враховує просторову енергосилову структуру

п'єзоелемента. Зокрема, при проектуванні перетворювачів - приймачів звуку

(датчиків). Розташування електродів на п'єзоелементі відбувається таким чином,

щоб вектор електричного поля вихідного сигналу був під кутом до вектора

поляризації, що дозволяє підвищити чутливість датчика, а також, при необхідності,

отримати датчик з декількома виходами і різними вихідними динамічними

характеристиками.

20

Розроблений стенд, який дозволяє проводити дослідження характеристик

п'єзокерамічних перетворювачів та передавати результати вимірювань на ПК.

Достовірність наукових результатів і висновків перевірена порівнянням

теоретичних положень з експериментальними даними і залежностями,

виготовленням дослідних зразків ПП і їх випробуванням та моделюванням.

Результати досліджень впроваджено у виробництво, а саме, у ПАТ «Укрп'єзо»

та на НВК «Фотоприлад», а також використовують у навчальному процесі в

Черкаському державному технологічному університеті.

Ключові слова: п'єзокерамічний електроакустичний перетворювач,

чвертьхвильовий резонатор, об‟ємний резонатор, просторово-кутова взаємодія,

звуковий тиск, мультифізична модель.

АННОТАЦИЯ

Заика В.М. Методы и средства проектирования пьезокерамических

преобразователей для компьютерных акустических измерительных систем - На

правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по

специальности 05.13.05 – компьютерные системы и компоненты. Черкасский

государственный технологический университет, Черкассы, 2016.

Диссертация посвящена актуальным вопросам дальнейшего

совершенствования методов проектирования пьезокерамических преобразователей.

В диссертации проведены исследования, направленные на совершенствование

пьезокерамических преобразователей, используемых в компьютерных системах.

В работе был усовершенствован метод улучшения характеристик

электроакустических преобразователей с помощью дополнительных элементов:

путем использования четвертьволновых и объемных резонаторов, используемых для

повышения акустической мощности, уменьшения резонансной и расширения

рабочей частоты преобразователей. Усовершенствован метод дополнительного

колебательного контура путем добавления к электродам пьезоэлемента

трансформаторной развязки с целью возбуждения в нем бегущей волны.

Усовершенствован метод пространственно-углового взаимодействия с целью

получения максимальных изгибных колебаний. Разработаны новые схемы

подключения мономорфных пьезоэлементов, которые увеличили в 4 раза изгибные

колебания, которые и позволили на 20-25 дБ увеличить уровень звукового давления.

Разработаны и исследованы схемы возбуждения преобразователей - излучателей в

виде цилиндрических пьезоэлементов, что позволило увеличить звуковое давление

на 30 дБ. Разработан стенд, который позволяет проводить исследования

характеристик пьезокерамических преобразователей и передавать результаты

измерений на компьютер.

21

Ключевые слова: пьезокерамический электроакустический преобразователь,

четвертьволновой резонатор, объемный резонатор, пространственно-угловое

взаимодействие, звуковое давление, мультифизическая модель.

ABSTRACT

Zaika V.M. Мethods and tools for designing of piezoceramic transducers for

computer acoustic measurement systems – Manuscript.

Ph.D. thesis on specialty 05.13.05 – Computer systems and components. Cherkasy

State Technological University, Cherkasy, 2016.

Dissertation is devoted to actual issues of further improvement of piezoceramic

transducers designing methods. Studies aimed at improving of piezoceramic transducers

that used in computer systems are presented in thesis.

Method for electroacoustic transducers characteristics improving with additional

elements through the use of quarter-wave and cavity resonators that are used for acoustic

power increasing, resonant frequency decreasing and expansion of transducers operating

frequency band is refined in this work.

Method of additional oscillating circuit by adding of transformer‟s decoupling to the

piezoelectric element electrodes for the purpose of running wave excitation was improved.

Method of spatial and angular interaction, which is used in order to maximize flexural

vibrations, was improved.

New connection diagrams of monomorphic piezoelectric elements that can create

flexural vibrations that are 4 times more powerful and increase the sound pressure level by

20-25 dB were developed. Excitation circuits of transducers (radiators) in the form of

cylindrical piezoelectric elements, which can increase the level of generated sound

pressure by 30 dB, were developed and investigated.

Stand, which allows us to investigate the piezoceramic transducers characteristics

and to transmit the measurement results to a computer, was developed.

Keywords: piezo ceramic electroacoustic transducers, quarter-wave resonator,

cavity resonator, spatial and angular interaction, sound pressure, multiphysical model.

Формат 60х84/16. Гарнітура Таймс. Піпір офсен.

Ум. друк. арк. 0,9 Тираж 100 пр. Зам. № 7258 від 06.09.2016

Надруковано ФОП Нечитайло О.Ф.

Державне реєстраційне свідоцтво АВ 488421 від 18.10.2013 р.

18000, Україна, м. Черкаси, вул. О. Дашкевича, 39

тел. (0472)37-62-60

aref zaika

Education