К энергетической оценке работы пьезоизлучателей малых размеров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Секция новых экологически чистых технологий и источников энергии

К энергетической оценке работы

ПЬЕЗОИЗЛУЧАТЕЛЕЙ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ В.Б. Дюдин, Г.Б. Тарасова

Таганрогский государственный радиотехнический университет

В настоящее время особое внимание уделяется экологической безопасности технических сооружений, таких, как трубопроводы, резервуары нефти, бензохранилища и т.п., разрушение которых может привести к техногенным катастрофам. В этой связи главным на сегодня становится определение остаточного ресурса объекта, степени риска при его эксплуатации и т.д. Определение соответствия состояния эксплуатируемого объекта техническим требованиям проводится методами технической диагностики.

Одним из основных методов технической диагностики является метод акустической эмиссии. Для моделирования сигналов акустической эмиссии с целью определения параметров микротрещин применяют различные методы, в том числе возбуждение квазиэмиссионных сигналов с помощью пьезоизлучателей малых размеров [1].

Энергетическую оценку пьезоизлучателя малых размеров можно выполнить, рассмотрев его работу на низких частотах либо в области между резонансами [2]. Для этого оценим его эффективность величиной коэффициента электромеханической трансформации п. При выводе расчетного уравнения воспользуемся выражением, связывающим реактивную электрическую мощность, развиваемую пьезоэлементом, с заданным полным объёмом пьезоматериала, когда он помещен в поле плоской звуковой волны с заданной удельной акустической мощностью.

Если не учитывать внутренние потери в пьезоматериале, то результат для плоского элемента малых размеров, работающего на продольном пьезоэффекте, будет иметь следующий вид [2]:

d?3

п = V • ш(рО ср-13,

8 33

где V = $ЭЛ • Ь - полный объем пьезоэлемента; h - толщина пьезоэлемента; $ЭЛ -площадь электродов; (рС)ср - волновое сопротивление среды; dзз - пьезомодуль;

£зз - диэлектрическая проницаемость пьезокерамики при ст=сош1;; а - механическое напряжение; ю = 2^ - круговая частота.

Эффективность электрического преобразования целесообразней оценивать коэффициентом электромеханической связи

2 ^

кзз =•

зз зз

Известия ТРТУ

Экология 2002 - море и человек

Учитывая при этом, что = (рС^) 2 , получим:

п =У (рС) ср/(рСЕз) к 233 Ю/СЕ3 , где СЕ - скорость звука в пьезокерамике при Е=сош1 - напряженность электрического поля; (рСЕ) - волновое сопротивление пьезокерамики.

Поскольку система обратима, можно определить удельную акустическую мощность, развиваемую приложенным электрическим напряжением и, полагая, что электрическая мощность

= 1 и2 W эл = ТЩ'

7 1

где ^ =-- емкостное сопротивление пьезоэлемента.

эл

Если рабочая частота находится ниже основного резонанса, то о §

С эл = еЗз ^, а если выше, то С эл = е3°э 1" к32з Н^. п п

С учетом сделанных выводов окончательно получим:

W = ^ = 1 и2еЗзБэлш(рСЕ)Кф СЕ(1 - к2з) = 1 И2 (рСЕ)кф (1 - к2з) 3 СЕ ау^ п2 "2 п . Бэл • п . (рС)ср • к2зШ "2п2 (рС)ср к2з £33 3. Из последнего выражения следует, что удельная акустическая мощность

и

пропорциональна напряженности электрического поля Ез = —, зависит от отноше-

п

ния волновых сопротивлений пьезокерамики и среды, параметров пьезокерамики и расстояния между электродами пьезоэлемента.

Сделаем оценку акустической мощности, возбуждаемой в пластине из алюминия пьезоэлементом из пьезокерамики типа ЦТС-19 диаметром 2 мм и толщиной 1 мм электрическим напряжением И=10 В. Предположим, что на этой частоте в пластине возбуждается несимметричная волна Лэмба нулевого порядка а0(С эф = 2800м / с, р = 2700кг / м), тогда получим следующий результат:

Ж 1 7 •10з • з.10з 1 -0,зб 1500.8,85.10-12 • з000 Вт

------!---!-= 119,71 = 120-

И2 2 2,8 •10з • 2,7 •10з 0,зб 10-6 ' м2В2'

При площади электродов пьезоэлемента Б= з,14.10-б м2 и приложенном электрическом напряжении 10 В акустическая мощность будет равна

Wa = 120 • з,14.10-б .102 = 4,51.10-2 Вт = 45мВт .

Полагая, что эта волна распространяется по тонкому листу, давление р0 в любой точке пространства можно определить из выражения

2

Ж = —

1 Р0

2 2л.Ь.ё

где Ь - расстояние до точки измерения; ё - толщина листа.

При толщине листа ё = 5 мм и расстоянии Ь до точки приема, равном 1м, без учета затухания в среде получим:

р0 =74л. 1,5.10-з. 45.10-з = 5з,1б .10-зПа .

С учетом коэффициента затухания давление будет меньше:

Pi = Po exp(-aL), где а - коэффициент затухания волны в среде.

Учитывая, что от дефекта отразится только часть энергии и путь до приемника будет равен длине L1, получим:

P пр = xPiexP(-aLi), где X - коэффициент отражения квазиэмиссионного сигнала от дефекта или края пластины.

Задав расстояние и зная чувствительность приемника акустоэмиссионных сигналов, получим напряжение на его выходе:

V = V • P .

пр < пр гпр

Для полубесконечной среды в уравнении Wa следует заменить 2л • Ld на 2л2 • L2 .

Полученные здесь выражения позволяют вычислить акустическую мощность квазиэмиссинной волны, возбуждаемой плоским поршнем малых размеров, имитирующим излучение трещины нормального отрыва в любой точке пространства, и таким образом сделать оценку мощности излучения трещиной нормального отрыва. При вычислении акустической мощности в ограниченных средах следует еще учитывать коэффициент преобразования энергии объемных волн в энергию нормальных волн определенной моды [3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Дюдин В.Б. Исследование сигналов квазиэмиссионных волн в пластинах //Известия ТРТУ. Таганрог. 2002. №1(24). С.134.

2. АнаньеваА.А. Керамические приемники звука. М.: Наука, 1953. 178 с.

3. Викторов И А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука,1965.168 с.

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ СТАЛИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ В АГРЕГАТЕ

А. А. Кожухов, Э. Э. Меркер

Старооскольский технологический институт

With the purpose of improving ecological and technological parameters basic oxygen process the researches on development of the new "know-how" of steel in the converter based on application of gas-jet protection above a zone of purging of the aggregate were conducted. In an outcome was placed, that the application of gas-jet protection allows to reduce ablation of dust from the converter on 50 - 70 % and to increase productivity of the aggregate on 5 - 10%.

Существующие технологические режимы конвертерной плавки стали обладают недостатками, которые заключаются в том, что из агрегата с отходящими газами выносится значительное количество железистой пыли и оксидов углерода.

В то же время применяемые методы и аппараты очистки технологических газов являются недостаточно совершенными и не отвечают требованиям экологически чистых технологий производства металлов.