CC BY
38
Кузьменко Алла Сергеевна - Южный федеральный университет; e-mail: akuzm@sfedu.ru; 347900, г. Таганрог, пер. Тургеневский, 44; тел.: +79043437260; кафедра летательных аппаратов; старший преподаватель.
Kuzmenko Alla Sergeevna - Southern Federal University, e-mail: akuzm@sfedu.ru; 44 Turgenevsky, Taganrog, 347900, Russia; phone: +79043437260; the department of aircraft; senior lecturer.
УДК 542.6.063 DOI 10.23683/2311-3103-2019-2-104-117
Е.С. Алексюнин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ БАЗОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ УСТРОЙСТВ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ
ПРИМЕНЕНИЙ
Статья содержит материалы исследований ультразвуковых способов распыления жидких сред. До настоящего времени используемыми на практике способами распыления являются такие как, гидравлический, пневматический, механический, электростатический и различные комбинированные способы. Однако эти способы имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение в некоторых областях, например, большая неоднородность получаемого аэрозоля, использование дополнительных потоков воздуха или дополнительного распыляющего агента, высокая энергоемкость. Определенные затруднения возникают и при осуществлении распыления жидкостей с большой вязкостью. Учитывая это предлагается проектирование для целей распыления акустических устройств, генерирующих ультразвуковые колебания, позволяющие производить аэрозоль из жидкости с помощью акустических колебаний звукового или ультразвукового диапазона. Раскрыт ряд технологических преимуществ ультразвуковых способов распыления, оговорены способы подвода акустической энергии к зоне распыления. Рассмотрены различные способы распыления как по производительности, так и по дисперсности конечного продукта. Обсуждены различия в проектировании этих устройств. Приведён подробный анализ теорий, связанных с распылением на микроуровне. Освещены вопросы, связанные с математическим моделированием таких типов устройств, правильностью выбора алгоритмов для проектирования. Приведены иллюстрации демонстрирующие результаты математического моделирования и изготовления устройств, а также математические теории, которые способствовали проведению данных разработок. Продемонстрирован схематично ряд наиболее эффективных устройств, которые по результатам математического моделирования изготовлены в виде макетов и показали интересные электрофизические результаты.
Распыление; ультразвук; жидкая среда; слой жидкости; аэрозоль.
E.S. Aleksyunin
THE MODELING OF ADVANCED BASIC STRUCTURES OF DEVICES FOR SPRAYING THE FLUID IN DIFFERENT APPLICATIONS
The article contains materials on research of ultrasonic methods for spraying liquid media. To date, the spraying methods used in practice are hydraulic, pneumatic, mechanical, electrostatic, and various combined methods. However, these methods have several disadvantages that limit their use in some areas, for example, the large heterogeneity of the resulting aerosol, the use of additional air flows or an additional spraying agent, high energy intensity. Certain difficulties arise in the implementation of spraying the liquids with high viscosity. Taking the above into account, a design is proposed for the purpose of spraying acoustic devices that generate ultrasonic vibrations that allow the aerosol to be produced from a liquid using acoustic oscillations of the sonic or ultrasonic range. A number of technological advantages of ultrasonic spraying methods are disclosed, and methods for supplying acoustic energy to the sputtering zone are specified.
Different methods of spraying are considered both in terms of productivity and dispersion of the final product. Discussed are the differences in the design of these devices. A detailed analysis of theories related to spraying at the micro level is given. Covered issues related to the mathematical modeling of these types of devices, the correct choice of algorithms for design. The illustrations show the results of mathematical modeling and manufacturing devices, as well as mathematical theories that contributed to the development of these developments. A number of the most efficient devices are shown schematically, which, based on the results of mathematical modeling, are made in the form of mock-ups and have shown interesting electrophysical results.
Spraying; ultrasonic; liquid media; liquid layer; aerosol.
Введение. В современной технике существуют различные способы распыления жидкости для решения технологических задач с помощью акустических колебаний. Отличие устройств генерации аэрозоля состоит в способах подвода жидкости в зону распыления, в их размерах и разбросе дисперсности выделяемых частиц аэрозоля. При реализации различных технологических задач часто имеется необходимость минимизации габаритов устройств и потребляемой мощности. При этом требуется обеспечить минимальный разброс по дисперсности распыляемой жидкости, и увеличение объёма её распыления. Исследования показывают, что с помощью ультразвука решить данный спектр задач возможно с помощью двух типов конструкций аэрозольных генераторов: распылителей жидкости в слое и распылителей жидкости в фонтане.
Востребованность данной технологии может проявляться во внедрении в производственный цикл при постановке технологических процессов, а также в медицинских целях для создания аэрозолей для различных применений.
Как показывают практические исследования, конструкции преобразователей состоят их двух, как правило склеенных между собой, элементов - металлического концентратора, предназначенного для распыления жидкости и электромеханического преобразователя, изготовленного из пьезокерамического материала, который осуществляет возбуждение механических колебаний в конструкции.
Основная часть. В настоящее время актуальной задачей является моделирование устройств для акустического (ультразвукового) распыления жидкости. Акустическое распыление - это получение аэрозоля из жидкости с помощью акустических колебаний звукового или ультразвукового диапазона. При распылении дисперсная фаза тонких суспензий и эмульсий, также, как и растворенные в жидкости вещества, переходят в аэрозоль. Такие устройства могут быть использованы в двигателестроении при создании систем подготовки топливно-воздушных смесей, в системах подачи воды парогенераторов, в системах охлаждения технологической воды, при нанесении покрытий, в химических производствах, в медицине при получении лекарственных аэрозолей и создании лечебных камер с искусственным микроклиматом, например, солевым, в сельском хозяйстве для создания теплиц с заданным микроклиматом и т. д.
Традиционно используемыми на практике способами распыления являются такие как, гидравлический, пневматический, механический, электростатический и различные комбинированные способы [1]. Однако эти способы имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение в некоторых областях, например, большая неоднородность получаемого аэрозоля, использование дополнительных потоков воздуха или дополнительного распыляющего агента, высокая энергоемкость. Определенные затруднения возникают и при осуществлении распыления жидкостей с большой вязкостью.
Ультразвуковой способ распыления имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами:
♦ низкая энергоемкость;
♦ высокая производительность;
♦ возможность мелкодисперсного и монодисперсного распыления;
♦ возможность распыления жидкостей с различной вязкостью;
♦ не требуется подогрева жидкости и, следовательно, распыляющие устройства не оказывают влияния на температурный режим того пространства, в котором они функционируют, в отличие от испарительных распылителей;
♦ отсутствуют трущиеся и механически изнашивающиеся детали, а также смазывающие материалы, что исключает возможность попадания продуктов износа в формируемую аэрозоль;
♦ большой диапазон размеров от крупногабаритных до миниатюрных устройств.
В соответствии с тем, как подводится акустическая энергия к зоне распыления - через газ или через жидкость, различают два способа распыления [2].
Первый способ распыления связан с подведением акустических колебаний к зоне распыления через газ. При этом обычно используются газоструйные излучатели, в активную зону которых подается жидкость - рис. 1.
газ жидкость
Рис. 1. Распылительное устройство со стержневым газоструйным излучателем.
К - каналы, через которые жидкость поступает в область распыления
Помимо акустических колебаний, жидкость подвергается воздействию газовых потоков, поэтому такой способ также называется пневмоакустическим. Размер капель получаемого аэрозоля составляет десятки и сотни микрон. Производительность установок составляет десятки и сотни литров в час. Газоструйные излучатели работают при давлении газа 1-5 атмосфер. Диаметр капель уменьшается при увеличении давления газа. Физический механизм этого способа распыления до конца не ясен. Предполагается, что в образовании аэрозоля принимают участие ударные акустические волны, возникающие при работе излучателя. Этот способ находит применение в форсунках для мощных водогрейных котлов, для карбюрации в двигателях внутреннего сгорания и в распылительных сушилках.
Второй способ подразделяется в свою очередь на две разновидности: распыление в слое и распыление в фонтане. В обоих этих случаях образование капель аэрозоля происходит в результате их отрыва от гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности жидкости. Диаметр капель аэрозоля равен [3]:
2 1/3
d=0,34(8л;s/рf ) ,
(1)
где р - плотность жидкости, 8- коэффициент поверхностного натяжения, f - рабочая частота вибратора.
При распылении в слое стоячие капиллярные волны частоты 0.5 f образуются на поверхности слоя жидкости, покрывающей пластину, колеблющуюся перпендикулярно своей поверхности с частотой £ С увеличением амплитуды колебаний пластинки амплитуда возбуждаемых волн монотонно нарастает, достигая через некоторое время предельной величины, после чего волновое движение, возбуждаемое колебаниями, становится периодическим и устойчивым. При этом, в отличие от линейного случая малых амплитуд, гребни стоячих волн теряют свою синусоидальную форму и становятся похожими на сравнительно узкие язычки, напоминающие капли. С дальнейшим увеличением амплитуды происходит отделение капель жидкости от гребней таких волн [4]. Обычно при распылении в слое используются колебания с частотой десятков килогерц, и диаметр капель составляет десятки микрон. Производительность распыления достигает нескольких литров и даже десятков литров в час, увеличиваясь с ростом амплитуды колебаний поверхности и уменьшаясь при переходе к более вязким жидкостям. Толщина слоя жидкости должна быть небольшой, порядка долей мм. Такой способ распыления применяют для приготовления порошков в ультразвуковых форсунках для распыления жидкого топлива. В случае жидкостей с большой вязкостью в образовании капиллярных волн, по-видимому, играет роль механизм схлопывания кавитацион-ных пузырьков - рис. 2.
Рис. 2. Механизм образования капель аэрозоля для высоковязких жидкостей
Этот же механизм может проявляться и при распылении жидкостей с низкой вязкостью, однако в этом случае он играет негативную роль, поскольку схлопыва-ние кавитационных пузырьков кроме возбуждения капиллярных волн сопровождается выбросом массы жидкости из слоя, что приводит к появлению крупных капель аэрозоля. Таким образом, при распылении в слое жидкостей с низкой вязкостью существует «кавитационное» ограничение по амплитуде колебаний поверхности, на которой расположена жидкость [5].
В качестве устройств для распыления в слое используются, как правило, пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи стержневого типа с концентраторами, имеющими канал по оси для подачи жидкости к месту распыления [6] - рис. 3.
Жидкость входит в канал в узловой плоскости концентратора и растекается слоем по поверхности фланца, который играет роль колеблющейся пластины. Амплитуда колебаний составляет от 10 до 30 микрон.
Рис. 3. Ультразвуковое устройство для распыления жидкости в слое
При распылении в фонтане стоячие капиллярные волны конечной амплитуды возбуждаются на поверхности струи, возникающей вследствие эффекта фонтанирования жидкости в месте попадания на ее поверхность пучка мощных ультразвуковых волн, направленного из глубины. Капиллярные волны возникают лишь при наличии кавитации в струе ультразвукового фонтана, так как непосредственной причиной их возбуждения являются периодические гидравлические удары при захлопывании кавитационных пузырьков. Для создания ультразвукового фонтана используются частоты мегагерцового диапазона [7]. Распыление происходит в верхней части фонтана с образованием тонкого стойкого монодисперсного аэрозоля, размер капель которого составляет 2-4 микрона. Для получения аэрозоля этим способом удобны фокусирующие излучатели с резонансной частотой 1-3 МГц в виде вогнутых пьезокерамических пластин - рис. 4.
Рис. 4. Ультразвуковое устройство для распыления жидкости в ультразвуковом фонтане: 1 - фокусирующий пьезоэлемент; 2 - промежуточная жидкая среда;
3 - кювета с звукопрозрачным дном; 4 - распыляемая жидкость; 5 - ультразвуковой фонтан; 6 - отражатель для ограничения высоты фонтана.
Фокальное пятно излучателя располагается обычно несколько ниже поверхности жидкости. Распылительное устройство такого типа с фокусирующим излучателем имеет вместе с генератором небольшие размеры и небольшие энергетические затраты (150 Вт). Производительность распыления для невязких жидкостей типа воды достигает нескольких сотен мл в час. Подобные распылители часто применяются в ингаляторах (типа «Муссон»), при спектральном анализе жидкостей и т.д.
Остановимся коротко на механизме образования ультразвукового фонтана [8]. Важную роль в этом механизме играет давление звука, называемое еще давлением излучения или радиационным давлением. По определению давление звука -это среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещенное в звуковое поле. Давление звука определяется импульсом, передаваемым волной в единицу времени единице площади поверхности препятствия. Поскольку плотность потока импульса есть тензор, давление звука тоже имеет тензорный характер, что проявляется, в частности, в зависимости давления звука от ориентации препятствия относительно направления распространения звуковой волны [9].
Теоретически наличие давления звука было установлено Дж.У. Рэлеем в 1902 году. Он показал, что давление звука Р на полностью отражающую звук плоскую поверхность при нормальном падении на нее плоской волны определяется с точностью до членов 2-го порядка формулой:
P = р2 = (у + , (2)
где р - плотность невозмущенной среды, V - амплитуда колебательной скорости в пучности скорости стоячей волны, Ек - средняя по времени и пространству плотность кинетической энергии звуковой волны, у- константа, характеризующая свойства среды. Для газов, например, это отношение теплоемкостей при постоянном давлении и объеме. Практически давление звука, определяемое формулой Рэлея, имеет место при распространении плоской звуковой волны в безграничной среде. Подобные условия создаются, например, в жесткой трубе, когда волну можно считать плоской.
Давление звука, создаваемое ограниченной по фронту плоской волной, распространяющейся в безграничной невозмущенной среде, так называемым ультразвуковым пучком, или лучом, впервые было вычислено Ланжевеном и названо давлением Ланжевена. В случае нормального падения луча на полностью отражающую плоскую поверхность оно определяется по формуле:
Р = р2/4 = 2Ek • (3)
В тех случаях, когда средние по времени плотности потенциальной и кинетической энергий равны друг другу, давление Рэлея и Ланжевена пропорциональны плотности полной энергии звуковой волны или интенсивности звука, аналогично давлению света. Давление Ланжевена на частично отражающее твердое препятствие равно
Р = (1 + Я 2) Е, (4)
где R - коэффициент отражения по давлению, Е - среднее по времени значение плотности полной энергии в падающей волне. При нормальном падении звукового пучка ограниченного сечения на поверхность раздела двух сред эта поверхность испытывает давление звука, выражаемое формулой
Р = 2ЕМ(1 + Я 2) - (5)
где Ек1, Ек2 - средние по времени значения плотности кинетической энергии падающей волны в первой среде и прошедшей волны во второй среде соответственно. Если R=0, то Р определяется только плотностью кинетической энергии в обеих средах и не зависит от направления распространения волны относительно границы.
Давление звука, действующее на границе раздела двух жидких или жидкой и газообразной сред, приводит к выпучиванию поверхности раздела, которое при достаточной интенсивности переходит в фонтанирование. Это явление и используется при ультразвуковом распылении жидкости. Давление звука играет важную роль в процессе ультразвуковой коагуляции аэрозолей. Будучи эффектом 2-го порядка малости, давление звука мало по сравнению с переменным звуковым давлением. Давление звука используется при определении абсолютного значения интенсивности звука с помощью радиометра или по вспучиванию границы раздела сред. В условиях невесомости может применяться в экспериментах по стабилизации предметов в пространстве, перекачке жидкости и т. п.
В устройствах распыления жидкости в тонком слое можно использовать два вида движения рабочей кромки концентратора:
♦ продольные колебания, при этом жидкость на рабочую кромку подается по внутреннему каналу концентратора. Это - преобразователи-концентраторы типа «форсунки». Пример такого устройства схематично показан на рис. 3;
♦ поперечные колебания, при этом жидкость подается на рабочую кромку извне. Эти устройства можно условно назвать преобразователями-концентраторами типа «клина». Принцип действия такого устройства показан на рис. 5.
Рис. 5. Принцип действия преобразователя-концентратора типа «клина»
Размер образующихся капель жидкости зависит от частоты колебаний рабочей кромки концентратора. Для резонансных устройств частота определяет их характерные размеры.
Для получения капель аэрозоля среднего размера (примерно 20-30 мкм) используются частоты около 100 Гц. Такие преобразователи-концентраторы можно отнести к разряду крупногабаритных. К этому разряду относятся преобразователи-концентраторы типа «клина».
Для получения капель жидкости меньшего размера необходимы частоты порядка нескольких сотен килогерц. Таким частотам соответствуют очень малые размеры резонансных устройств, предназначенных для распыления в тонком слое. Поэтому традиционно для получения мелкодисперсных аэрозолей применяются устройства распыления в ультразвуковом фонтане. Однако, проведенные исследования показали, что для этой цели могут применяться и ультразвуковые форсунки определенной конструкции.
Различные конструкции отличаются формой и размерами концентраторов, формой, размерами и способом соединения с концентратором пьезоэлектрического элемента, а также направлением поляризации в нём, размерами электродов и их расположением по отношению к направлению поляризации, что в конечном итоге определяет тип колебаний, возбуждаемых в пьезоэлементе, и эффективность электромеханического преобразования энергии в нём.
Различия в конструкциях обусловлены попытками удовлетворения тем или иным потребностям по производительности распылителей и, соответственно, требованиям к размерам образующихся капель жидкости, которые связаны с рабочей частотой и величиной колебательного ускорения распыляющей поверхности. Дополнительные условия, накладываемые на конструкцию, связаны с устойчивостью работы электрической схемы возбуждения колебаний в пьезоэлементе в резонансном режиме. Среди прочих условий можно выделить достаточную удалённость соседних резонансов от рабочего, а также требования к коэффициенту электромеханической связи преобразователя [10-14].
Для создания колебаний рабочей кромки концентратора таких устройств в направлении, перпендикулярном поверхности кромки, можно, в принципе, использовать два типа колебаний пьезоэлементов, возбуждающих колебания конструкции: радиальные и продольные. Было промоделировано множество различных конструкций, некоторые из которых были изготовлены в макетном исполнении. Приведем результаты для двух конструкций, отличающихся типом колебаний пье-зоэлементов. Для их моделирования был применён пакет А№У8, позволяющий достаточно наглядно с помощью метода конечных элементов решать краевые задачи. Математическая постановка задачи включает в себя следующий формализм действий:
♦ задание геометрии модели;
♦ формулировку основных дифференциальных уравнений для каждого материала (среды), входящего в расчетную модель и задание определяющих соотношений для материалов и соответствующих им констант;
♦ задание граничных условий задачи.
Построение конечно-элементной модели начинается с построения геометрии расчётной области и конечно-элементной сетки. Применённые типы сеток для расчёта представлены на рис. 6.
Рис. 6. Виды конечно-элементных сеток применяемых при моделировании.
Кроме того, в процессе моделирования задавалось использование следующих материалов:
♦ упругий изотропный материал (дюраль, титан, сталь и др.);
♦ поляризованная пьезокерамика (системы ЦТС);
♦ жидкая среда.
РЬАМЕ42 РЬАЫЕ13 РШГО29
ЙОЬШ45
80ЬШ5
РШГО30
ЭОЬГО92 - 8(гисШга1 80ЬГО98 - Р1е/ое1ес1ис-- АсоисНс
Первая конструкция преобразователя-концентратора показана на рис. 7. [15]. Пьезоэлемент в виде шайбы изготовлен из пьезокерамики состава ЦТС и поляризован по высоте. Концентратор выполнен из дюраля. Нижняя торцевая поверхность пьезоэлемента полностью покрыта электродом, верхний электрод не доходит до металла. Пьезоэлемент совершает радиальные колебания.
Для моделирования используется осесимметричная модель конструкции [16-21]. Пьезоэлектрическая область представлена элементами PLANE13, область металла - элементами PLANE42. Для обоих типов конечных элементов используется опция осесимметричного решения.
Рис. 7. Общий вид преобразователя-концентратора
Пьезоэлектрический элемент поляризован в радиальном направлении и возбуждается переменным напряжением, подводимым к электродам, нанесённым на поверхности пьезокерамики, перпендикулярным радиусу.
На рис. 8 представлены рассчитанные амплитудно-частотные характеристики проводимости преобразователя и радиального смещения кромки концентратора. Частота резонанса равна 143,8 кГц.
.»MiE'Dijyj» i;."> [■:*' пIс вI фОЛАа! » ■ "1UV1 Г|>л !■■;'з
ЫВП4-Ш1
LI« riH L14 11« II» IMC- dt» ,tjö 1440 h ibO kl»
1*15 HIB im i™ НИ ИП UV U M 1ЧИ
Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики проводимости преобразователя и радиального смещения кромки концентратора
На следующем рис. 9,а показана форма деформации устройства на резонансе для осесимметричной модели. Отметим, что в ANSYS в постобработке результатов решения предоставлена возможность виртуального расширения узловых решений, полученных для модели, ограниченной какими-либо элементами симметрии, до полной модели. На рис. 9,б показана для наглядности трехмерная модель деформации преобразователя-концентратора на резонансе.
а б
Рис. 9. Деформация преобразователя концентратора на резонансе
Вторая конструкция преобразователя-концентратора показана на рис. 10 [30].
Концентратор и прокладка между пьезоэлементами выполнены из дюраля, а стяжка и нижняя накладка - из стали. Пьезоэлементы в виде шайб изготовлены из пьезокерамики ЦТС и поляризованы по толщине в одном направлении. Электроды пьезоэлементов соединяются попарно: прилегающие к прокладке и находящиеся на противоположных торцах шайб. При таком способе возбуждения пьезоэлемен-ты совершают толщинные противофазные колебания.
Рис. 10. Вторая конструкция преобразователя-концентратора типа «клина»
Продольные колебания нижней части преобразователя трансформируются в интенсивные поперечные колебания рабочей кромки концентратора. На рис. 11 представлены фигуры конечно-элементной сетки второй конструкции.
Рис. 11. Детали конечно-элементной сетки конструкции №2
На рис. 12 представлены амплитудно-частотные характеристики проводимости и радиального смещения кромки концентратора. Частота резонанса равна 145,7 кГц.
Рис. 12. Амплитудно-частотные характеристики проводимости и радиального смещения кромки концентратора
Форма деформации конструкции на резонансе продемонстрирована на рис. 13.
а б
Рис. 13. Деформация на резонансе: а - осесимметричная модель, б - трехмерное
изображение
Заключение. Представленная информация даёт представление о возможностях моделирования современных распылительных систем, использующих акустические колебания. Существуют ряд сфер практического применения данной технологии. Например, одним из вариантов её использования может быть необходимость создания необходимых концентраций ароматических веществ в воздухе. Распылитель может производить холодную аэрозоль с контролируемым размером частиц, что снижает вероятность слипания частиц и образования капель, тем самым увеличивая время нахождения аромата в воздухе. Это способствует эффективности устройства как освежителя воздуха.
Сушка распылением применяется, также, в фармацевтике, при изготовлении керамики и пищевых продуктов в лабораторных масштабах. Данная технология востребована при распылении гидросмесей и суспензий. В электронной промышленности для технологии ультразвукового распыления, также, находится множество приложений. Самая известная из них - нанесение флюса для пайки на печатные узлы.
Кроме вышеуказанных технологий есть и другие, в которых целесообразно использовать такие распылительные системы, а именно:
♦ Покрытие кремниевых пластин фоторезистом и проявителем фоторезиста как часть процесса фотолитографии.
♦ Нанесение тонкопленочных покрытий с использованием химического осаждения из паровой фазы на материалы, предназначенные для использования в качестве полупроводников и высокотемпературных сверхпроводников.
♦ Покрытие внутренности осветительных приборов с использованием принципов электростатического распыления.
Таким образом, спектр применения технологий ультразвукового акустического распыления достаточно широк и данная технология востребована в промышленном применении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Физика и техника мощного ультразвука. Т. III. Физические основы ультразвуковой технологии / под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука, 1970. - 688 с.
2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / глав. ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.
3. Панич А.А. Особенности проектирования ультразвуковых устройств распыления жидкости. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2011. - 160 с.
4. Розенберг Л.Д. Фокусирующие излучатели ультразвука. В кн. «Источники мощного ультразвука». Ч. III. - М.: Наука, 1967.
5. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. - М.: Машгиз, 1959. - 331 с.
6. Экнадиосянц О.К. Получение аэрозолей. В кн.: «Физика и техника мощного ультразвука». «Физические основы ультразвуковой технологии». Ч. V. - М.: Наука, 1970. - 687 c.
7. Харкевич А.А. Теория электроакустических преобразователей. Волновые процессы. Т. 1.
- М.: Наука, 1973. - C. 398.
8. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. - М.: Наука, 1977.
- 336 с.
9. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике: пер. с нем. - М.: Мир, 1955.
10. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. - М.: Мир, 1977. - 349 с.
11. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров - электриков. - М.: Мир, 1986. - 229 с.
12. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. - М.: УРСС, 2003. - 269 с.
13. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / под общ. ред. Красковского Д.Г. - М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 с.
14. ГаллагерР. Метод конечных элементов: пер. в англ. - М.: Мир, 1984. - 428 с.
15. Митько В.Н., Крамаров Ю.А., Панич А.А. Математическое моделирование физических процессов в пьезоэлектрическом приборостроении. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2009. - 240 с.
16. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613572 «Система управления измерениями и расчёта параметров Hioki ZKeff (коэффициент электромеханической связи) Hioki ZKeff v. 1.0» 06.05.2011.
17. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613567 «Система управления измерениями и расчёта параметров Hioki В (реактивная составляющая проводимости пьезоэлемента) Hioki В v. 1.0» 06.05.2011.
18. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613570 «Система управления измерениями и расчёта параметров Hioki Y (полная проводимость пьезоэлемента) Hioki Y v. 1.0» 06.05.2011.
19. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613569 «Система анализа данных и управления измерениями Hioki Manag er» «Hioki Manager v. 1.0» 06.05.2011.
20. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613568 «Система управления измерениями и расчёта параметров Hioki G (активная составляющая проводимости пьезоэлемента) Hioki G v. 1.0» 06.05.2011.
21. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613571 «Система управления измерениями и расчёта параметров Hioki ZC (полное сопротивление и емкость пьезоэлемента) Hioki ZC v. 1.0» 06.05.2011.
REFERENCES
1. Fizika i tekhnika moshchnogo ul'trazvuka. T. III. Fizicheskie osnovy ul'trazvukovoy tekhnologii [Physics and technology of powerful ultrasound. Vol. III. Physical basis of ultrasound technology], ed.by L.D. Rozenberga. Moscow: Nauka, 1970, 688 p.
2. Ul'trazvuk. Malen'kaya entsiklopediya [Ultrasound. Little encyclopedia], Chapters. ed. I.P. Golyamina. Moscow: Sovetskaya entsiklopediya, 1979, 400 p.
3. Panich A.A. Osobennosti proektirovaniya ul'trazvukovykh ustroystv raspyleniya zhidkosti [Features of the design of ultrasonic liquid spraying devices]. Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2011, 160 p.
4. Rozenberg L.D. Fokusiruyushchie izluchateli ul'trazvuka. V kn. «Istochniki moshchnogo ul'trazvuka». Ch. III [Focusing ultrasound emitters. In the book. "Sources of powerful ultrasound". Part III]. Moscow: Nauka, 1967.
5. Teumin I.I. Ul'trazvukovye kolebatel'nye sistemy [Ultrasonic oscillatory systems]. Moscow: Mashgiz, 1959, 331 p.
6. Eknadiosyants O.K. Poluchenie aerozoley. V kn.: «Fizika i tekhnika moshchnogo ul'trazvuka». «Fizicheskie osnovy ul'trazvukovoy tekhnologii». Ch. V [Focusing ultrasound emitters. In the book. "Sources of powerful ultrasound". Part III]. Moscow: Nauka, 1970, 687 p.
7. Kharkevich A.A. Teoriya elektroakusticheskikh preobrazovateley. Volnovye protsessy. T. 1 [Theory of electroacoustic transducers. Wave processes. Vol. 1]. Moscow: Nauka, 1973, pp. 398.
8. Kanevskiy I.N. Fokusirovanie zvukovykh i ul'trazvukovykh voln [Focusing sound and ultrasonic waves]. Moscow: Nauka, 1977, 336 p.
9. Bergman L. Ul'trazvuk i ego primenenie v nauke i tekhnike [Ultrasound and its application in science and technology]: transl. from German. Moscow: Mir, 1955.
10. Streng G., Fiks Dzh. Teoriya metoda konechnykh elementov [The theory of the finite element method]. Moscow: Mir, 1977, 349 p.
11. Sil'vester P., Ferrari R. Metod konechnykh elementov dlya radioinzhenerov i inzhenerov -elektrikov [The finite element method for radio engineers and electrical engineers]. Moscow: Mir, 1986, 229 p.
12. Kaplun A.B., Morozov E.M., Olfer'eva M.A. ANSYS v rukakh inzhenera. Prakticheskoe rukovodstvo [ANSYS in the hands of an engineer. A practical guide.]. Moscow: URSS, 2003, 269 p.
13. Basov K.A. ANSYS v primerakh i zadachakh [ANSYS in examples and tasks], ed. by Kraskovskogo D.G. Moscow: Komp'yuterPress, 2002, 224 p.
14. Gallager R. Metod konechnykh elementov [The finite element method]: transl. in English. Moscow: Mir, 1984, 428 p.
15. Mit'ko V.N., Kramarov Yu.A., Panich A.A. Matematicheskoe modelirovanie fizicheskikh protsessov v p'ezoelektricheskom priborostroenii [Mathematical modeling of physical processes in piezoelectric instrumentation]. Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2009, 240 p.
16. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programm dlya EVM №2011613572 «Sistema upravleniya izmereniyami i rascheta parametrov Hioki ZKeff (koeffitsient elek-tromekhanicheskoy svyazi) Hioki ZKeff v. 1.0» 06.05.2011 [Certificate of state registration of computer programs No. 2011613572 "Measurement manag ement system and parameters calculation of Hioki ZKeff (coefficient of electromechanical communication) Hioki ZKeff v. 1.0 06/06/2011].
17. Svidetel'stvo o osudarstvennoy re istratsii pro ramm dlya EVM №2011613567 «Sistema upravleniya izmereniyami i rascheta parametrov Hioki V (reaktivnaya sostavlyayushchaya provodimosti p'ezoelementa) Hioki V v. 1.0» 06.05.2011 [Certificate of state registration of computer programs No. 2011613567 "Measurement management system and calculation of Hioki B parameters (reactive component of the piezoelectric conductivity) Hioki V v. 1.0 06/06/2011].
18. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programm dlya EVM №2011613570 «Sistema upravleniya izmereniyami i rascheta parametrov Hioki Y (polnaya provodimost' p'e-zoelementa) Hioki Y v. 1.0» 06.05.2011 [Certificate of state reg istration of computer programs No. 2011613570 "Measurement management system and calculation of Hioki Y parameters (full conductivity of the piezoelectric element) Hioki Y v. 1.0 06/06/2011].
19. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programm dlya EVM №2011613569 «Sis-tema analiza dannykh i upravleniya izmereniyami Hioki Manag er» «Hioki Manag er v. 1.0» 06.05.2011 [Certificate of state registration of computer programs №2011613569 "System of data analysis and measurement management Hioki Manager" "Hioki Manager v. 1.0 06/06/2011].
20. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii pro ramm dlya EVM №2011613568 «Sistema upravleniya izmereniyami i rascheta parametrov Hioki G (aktivnaya sostavlyayushchaya provodimosti p'ezoelementa) Hioki G v. 1.0» 06.05.2011 [Certificate of state reg istration of computer programs No. 2011613568 "Measurement manag ement system and calculation of Hioki G parameters (active component of the piezoelectric conductivity) Hioki G v. 1.0 06/06/2011].
21. Svidetel'stvo o osudarstvennoy re istratsii pro ramm dlya EVM №2011613571 «Sistema upravleniya izmereniyami i rascheta parametrov Hioki ZC (polnoe soprotivlenie i emkost' p'ezoelementa) Hioki ZC v. 1.0» 06.05.2011 [Certificate of state registration of computer pro-
rams №2011613571 "Measurement mana ement system and calculation of parameters Hioki ZC (impedance and capacity of the piezoelectric element)].
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.С. Кондратенко.
Алексюнин Евгений Сергеевич - Научное конструкторско-технологическое бюро пьезоэлектрического приборостроения Инженерно-технологической академии Южного федерального университета; e-mail: aleksunin@gmail.com; 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Миль-чакова, 10, оф. 406; тел.: +79289098093; инженер по информационной безопасности.
Aleksunin Evgeniy Sergeevich - Science design and technology bureau "Piezopribor" Eng ineer-ing and technology academy Southern federal university; e-mail: aleksunin@gmail.com; 10, Mifchakov street, of. 406, Rostov-on-Don, 344090, Russia; phone: +79289098093; information security engineer.
УДК 621.396.969 Б01 10.23683/2311-3103-2019-2-117-128
В.А. Деркачев
ФОРМИРОВАНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СЦЕНЫ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ
Рассматривается создание радиолокационной сцены для последующего моделирования радиолокационной станции с синтезированной апертурой. Сложность разработки РЛС требует создания моделей радиолокационных систем для отработки алгоритмов обработки сигналов. Основная трудность моделирования отражения сигнала от подстилающей поверхности состоит в высокой вычислительной сложности, связанной с большим числом фацетов, попадающих под облучение радиолокационной станции. Уменьшение затрат на вычисления можно достичь путем оптимизации обработки данных, исключая неосвещенные фацеты из вычислений, параллельно перенеся вычисления на графические процессоры. Целью статьи является создание метода формирования вариантов радиолокационной сцены, создание методики формирования имитаторов целевых объектов, выполнение моделирования обработки сигналов, учитывая в процессе движения носителя только освещаемые фацеты и осуществление формирования радиолокационного изображения (РЛИ). В данной работе для создания радиолокационной сцены использовались оптические спутниковые изображения местности, яркость каждого пикселя которых преобразуется в значения эффективной площади рассеяния (ЭПР). При расчете отраженного сигнала осуществлен учет диаграммы направленности антенны, что позволило уменьшить
