Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05.- елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2003.
Дисертаційна робота присвячена розробці методів проектування асиметричних біморфних випромінюючих п’єзокерамічних перетворювачів (АБВПП) і створенню на цій основі конкурентноздатних зразків такого виду продукції.
У дисертації побудовані і досліджені математичні моделі плоских АБВПП, а також об’ємних конструкцій на їх основі.
На зразках досліджені такі електроакустичні характеристики перетворювачів як АЧХ, коефіцієнт підсилення по напрузі, діаграми спрямованості.
Для моделей застосований метод введення просторового електромеханічного зворотного зв’язку в схему з АБВПП. Це дозволяє згладити їх АЧХ і, відповідно, розширити частотний діапазон.
Теоретично обґрунтований вибір умов роботи перетворювачів з метою максимізації їх ККД.
Проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення асиметричних біморфних випромінюючих п’єзокерамічних перетворювачів різної форми, а також об’ємних конструкцій на їх основі, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи досліджень.
Отримані результати використовуються в промисловості, а також у навчальному процесі.
Вдосконалена математична модель прямокутного плоского асиметричного перетворювача, що складається з п’єзоелементу і металевої пластини. Для збільшення чутливості перетворювача п’єзоелемент має менші розміри, ніж металева пластина. На основі комплексного розв’язання рівняння п’єзоефекту і хвильового рівняння згинних коливань, а також на основі методу Релея-Ритця розроблена методика розрахунку основних коливальних і електроакустичних характеристик перетворювачів. При цьому отримані вирази для розрахунку механічних напруг, деформацій, резонансних частот і чутливості цих п’єзоперетворювачів для різних видів закріплення.
Власні форми згинних коливань п’єзокерамічних перетворювачів визначаються умовами кріплення, формою елементів, що входять до їх складу.
Побудовано математичну модель об’ємного випромінювача, що складається з К двогранних кутів. З її допомогою обчислене звукове поле, знайдені формули для опору випромінювання і коефіцієнта концентрації, проведені розрахунки ДС. Результати обчислень збігаються з експериментальними даними.
Для максимізації ККД випромінюючих перетворювачів необхідно зменшувати їх акустичний імпеданс, використовувати матеріали і акустичні екрани з максимальним значенням відношення площ екранованої і випромінюючої поверхонь АБВПП та мінімальним значенням механічних і електричних втрат, а також здійснювати оптимізацію гнучкості випромінювачів.
Отримано оптимальні співвідношення площ п’єзоелементу і металевої пластини перетворювачів, що дозволяють одержувати максимальні значення акустичної чутливості та коефіцієнта електромеханічного перетворення. Для круглого перетворювача , для трикутного – , для прямокутного – та для перетворювача у вигляді еліпса – .
Досліджені перетворювачі дозволяють конструювати ефективні і високоточні випромінювачі, наприклад для локаційних систем, з вузькою центральною пелюсткою ДС.
При збільшенні жорсткості закріплення перетворювачів їх АЧХ зміщується в область високих частот, кількість резонансних піків збільшується в перетворювачів, що не мають центральної симетрії, а зі збільшенням частоти ускладнюється їх форма ДС. При цьому значно знижується коефіцієнт передачі по напрузі. Найбільший коефіцієнт мають перетворювачі еліптичної та прямокутної форми.
У трикутних випромінювачів у порівнянні з прямокутними бічні пелюстки ДС набагато менші. Отже, випромінювачі трикутної форми перспективно використовувати в апаратурі з вузько спрямованим випромінюванням.
Встановлено, що при введенні електромеханічного НЗЗ в електричний ланцюг з випромінюючими перетворювачами відбувається згладжування їх АЧХ і, відповідно, розширення частотного діапазону.
Розроблені об’ємні випромінювачі на основі трикутних і прямокутних перетворювачів, що мають вузьку центральну пелюстку ДС. Крім того, вони мають високу ефективність перетворення. Найвужчу ДС має об’ємний випромінювач у вигляді багатогранної піраміди.
Публікації автора:
Шарапов В.М., Роттэ С.В. Исследование объемных пьезоэлектрических излучателей на основе асимметричных биморфных преобразователей // Вісник ЧДТУ. – 2002. – № 2. – С. 88-91.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В., Балковская Ю.Ю., Дифучин Ю.Н. Исследование круглых и овальных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник ЧІТІ. – 2001. – № 1. – С. 45-49.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Электромеханические связанные колебательные системы для физиотерапевтических приборов // Труды Международной конференции "СИЭТ6-99". – Харьков, 1999. – С. 749-752.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Электромеханическая обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Калуга, 2000. – С. 450-454.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В. Характеристики асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей различной формы // Сборник трудов международной научно-технической конференции "Приборостроение-2001". – Винница-Симеиз, 2001. – С. 62-64.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Полиморфные пьезокерамические преобразователи с пространственной электромеханической обратной связью // Тези доповідей VI Міжнародної конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001). – Вінниця, 2001. – С. 117.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Балковская Ю.Ю. Синтез пьезоэлектрических преобразователей механических величин // Сборник трудов научно-технической конференции "Приборостроение-2002: итоги и перспективы". – Киев, 2002. – С. 105-106.
Шарапов В.М., Роттэ С.В. Диаграммы направленности электроакустических биморфных пьезоэлектрических преобразователей прямоугольной и треугольной формы // Сборник трудов научно-технической конференции “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления “Датчик-2002”. – Москва-Судак, 2002. - С. 33-34.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Роттэ С.В. Исследование объемных пьезоэлектрических излучателей // Сборник трудов научно-технической конференции “Приборостроение-2002”. – Винница-Алупка, 2002. – С. 225-226.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические преобразователи физических величин // Сборник трудов по материалам 1-го Международного радиоэлектронного Форума "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" (МРФ-2002). – Харьков, 2002. – С. 482-485.
Ротте С.В. Дослідження характеристик біморфних асиметричних перетворювачів різної форми // Тези доповідей четвертої Міжнародної конференції “Наука і освіта ’2001”. Том 15. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2001. – С. 31.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Сарвар И., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Универсальный усилитель заряда для пьезоэлектрических преобразователей // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Калуга, 2000. – С. 394-396.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Сарвар И., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Шевченко Ю.Б. Пьезоэлектрические акселерометры (тенденции развития, конструкции) // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Калуга, 2000. – С. 455-459.
Шарапов В.М., Златьева И.Н., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Исследование асимметричных биморфных преобразователей // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана в г. Калуга. Специальный выпуск. – Ялта, 2000. – С. 445-447.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Лукашенко В.М., Чудаева И.Б., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Схемы подключения резонансных пьезоэлектрических датчиков // Труды межд. конференции “Metrology And Metrology Assurance”, Sofia, Bulgaria, 2000. – С. 146-149.
