Способ увеличения нагрузочной способности ультразвукового пьезокерамического излучателя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

уДК621 034 Л.А. НОВИКОВ

Омский государственный технический университет

СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ

В предлагаемой статье на основании анализа общих эквивалентных схем электроакустического тракта и особенностей построения генераторных схем для УЗМ А, предложен метод повышения нагрузочной способности пьезокерамического излучателя без изменения его весогабаритных и конструктивных показателей. Сделан вывод, что применение дополнительной индуктивности оправдано и эффективно лишь для больших нагрузок (когда £5-7), либо для акустических систем с малой добротностью (с большими значениями /?,„).

Ключевые слова: электроакустический тракт, пьезокерамический ультразвуковой излучатель, эквивалентная схема, нагрузка.

Для уменьшения влияния нагрузки на основные Увеличение волнового сопротивления излучате-характеристики ультразвукового пьезоэлектричес- ля возможно двумя путями:

кого излучателя продольного типа необходимо уве- —снижением упругой составляющей Сш, что

личивать его волновое сопротивление [I |: является нежелательным моментом, поскольку, при

прочих равных условиях снижение Ст связано с Р = ■ увеличением площади поперечного сечения излу-

чателя, что приведетлишь к увеличению весогаба-

L m1 и^^у^-у^у.

CimIii R

111I11

Lui 10

С11ИВ

Cin^i R111 >11

4

Сини FR ниш

Ikiin^n

/w^—j[_______|-1 j Il

Ст.«. a....... I Спи

Ls

Y

Rimo

Chi2b Rm2s

Стив R

Pitc.l. Полная жнниллснтнля схомл излучателя с учетом симметрирующем и дополнительном мндуктивностм

ритнмх показателей излучателя;

— увеличением массовой составляющей Lm. При этом очевидно возрас тание нагрузочной способности излучателя за счет снижения влияния RH на изменение (оа. Это подтверждается и экспериментальными данными |2|, поскольку с увеличением массы излучателя возрастает и его нагрузочная способ-I юсть.

С другой стороны, увеличение массы излучателя, особенно в медицинских ультразвуковых аппаратах для терапии и хирургии не всегда возможно и всегда крайне нежелательной неудобно в эксплуатации. Поэтому очень важно найти возможность повышения нагрузочной способности излучателя за счет использования каких-то дополнительных элементов, с одной стороны, не влияющих на конструктивные и весогабаритные показатели излучателя, а с другой, являющихся изоморфными его массовым и упругим характеристикам.

Используя элемен ты теории элек троакустического изоморфизма [31. такая возможность была найдена. При рассмотрении и анализе общей изоморфной схемы излучателя, было установлено, что необходимый эффект «кажущегося» увеличения его индуктивной (массовой) сос тавляющей может бы ть достигнут за счет включения в схему дополнительной индуктивности 1.к, которая, вместе с Ск, образует новый резонансный контур LkCk (рис. 1).

Проведя необходимые упрощения, аналогично рассмотренным в [<1| схемам, получим схему расчетной математической модели для рассматриваемого случая (рис.2).

Теперьдля схемы, изображенной на рис.2, определим комплексную проводимость схемы, состоящей из трех последовательно-параллельно соединенных участков, один из которых представляет собой Lk , а второй — ¿(| а третий — собственную проводимость излучателя - у . Учитывая, что ранее |5| она нами определена, вопрос оценки влияния 1.к сводится к определению проводимости последователь!ю-парал-лельной цени LkLs,y. Представим выражение для проводимости собственно излучателя в виде:

У = Я + jb,

где активная проводимость излучателя g и реак тивная проводимость I), которые определены нами ранее [5|. Тогда, для сопротивления последовательной цепи y,Lk получим:

С„, Ri

1 L.i

■ FU

t.l

Рмс.2. Эквнвллентнля схема расчетном математическом модели излучателя с симметрирующей и дополнительной индуктивностью

Z,

1 • , и ■ , b

--1- jwLk = ./ + j \wLk - —Г.--

g + jb g +b~ ( g + b

Соответственно, для проводимости этой цепи:

У,= —=

Z,

9( g2+b¿)

д'г+\ [coLk (g2+b2 К

-J

[<*Ц</ + Ь;>)-Ь](д<+Ь<) g¿+[<oLk(g2+b2)-bJ

У,=

( 1 - b(oik )' +(gwLk )' wLk [g2 + b2)-b

(l-bú)Lk У +(gcoLk V

После преобразования знаменателя полученного выражения к виду:

g'+[a>Lk (g2 + b2)-bj =

= (g< + bJ)[(l-b<oLky+(g<oLkf]'

получаем общее выражение для проводимости всей цепи:

g

(1)

Теперь добавим к полученному выражению для проводимости V, проводимость параллельной цепи с симметрирующей индуктивностью :

Полная проводимость при Р=1

-1_к=0-!.к=0.2 -1.к=0,4 -1_к=0.6

1,4 0,2

о.о ....... ---

-1.84 -1.04 -0,24 0.56 1,36 Частотное рассогласование в %

ФЧХ при Р = 1

3

Ш О п га в

1-1-1-1

0,56 1,36

2 у

1.5 ■• 1 --

0.5

-^

-0,51-|в4 -1,04 -1 ---1,5 -2 ■■

Частотное рассогласование в % -1_к = 0 — 1.к=0.2-1к=0.4 -1_к = 0,6

л) - Г)|

Полная проводимость при 13 = 5

га

I

л с; ф

о

0

1 ь О

- Ьк = 0 Ьк = 0,6

1^=0.2 1.к = 0,8

1.к = 0 4

>4

0,35

0,00 • • -4.00 -2,40 -0,80 0.80 2,40

Частотное рассогласование -%

ФЧХ при (3=5

|_к=0 -1.к=0,2-Ьк=0,4

1_к=0.6-1_к=0.8

2.0 1,0 0,0 -1.0 -2.0

-2,64 -1.84 -1,04 -0,24 0.56 1.36 2,16 Частотное рассогласование -%

Полная проводимость при [3=20

-|_к=0 -1_к=0,2-1.к=0,4

-1_к=0,6-Ьк=0,8

л

н

о О

г

ч о со о а с

0,10 0,08

0.06 //У

0,04 0,00

-3,99 -2,39 -0,79 0,81 2,41 Частотное рассогласование -%

ФЧХ при Р=20

-1,5

-3,99 -2,39 -0,79 0,81 2,41 Частотное рассогласование - %

-1_к=0 -1.к=0,2-1_к=0,4

-1.к=0,6-1_к=0,8

Рис. 3. Частотные характеристики ультразвукового пьезокерамического излучателя продольного типа при разных значениях нагрузки п параметрах дополнительной индуктивности £.к

Эффективность введения Lk

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Относительная нагрузка - R/Rm

-Lk=0 ■

-Lk=0.2 ■

-Lk=0.4

- Lk=0,6 .

- Lk=0.8

Рнс.4. Эффективность использования дополнительной индуктнвност Lk н п зависимости от величины нагрузки для различных значений L.

К. = К+ —— =

¡col.\ (\-boA.J +(cj«j[,y

(oLk(g2+b¿)-b i

-■/,. . . w / . 7

(1 - b(oLk) + (gcoLk) j(oLч =_g___

(1 -b(oLkf + (ga)Lk У o)Lk(g¿ + b2)-b i

(I-btoLk)'+{g«)Lk)' coLx

С учетом ранее найденных выражений |5] для £Г и b, определим активную и реактивную проводимости для эквивалентной схемы ультразвукового излучателя с дополнительной индуктивностью Lk:

91 =

fif

(1 -ba>Lk )'■' +(g<oLk f

nt 1 í ">' ,

fl + , ., -I

azCi a>¿

Vc;tK y

Vi

i-AI*

ГУ,

(2)

ь ю1к(д'*+Ьг)-Ь ( | (1 - b(oLk)' +(gcoLkf <»!„ '

(3)

а также полную проводимость и (разовый угол, соответственно:

л , Ь

и <р = Arctg —--

(4)

(5)

Все параме тры, входящие» в записанные выше выражения, так же как п в предыдущем параграфе, можно разделить па условно постоянные (для данной конструкции излучателя) и переменные. По сравнению с рассмотренными ранее параметрами добавились два новых постоянных параметра - симметрирующая индук тивност ь i., и дополнительная индуктивность Lk .

Для анализа общих свойств ультразвукового пьезокерамического излучателя продольного типа и тенденций их изменения, как уже отмечалось ранее, удобнее использовать относительные (или нормированные) параметры, а не их абсолютные величины, поэтому будем строить все расчетные кривые в относительных единицах, для чего используем принятую ранее сис тему базовых единиц:

— относительная частота -ы/(ои, или параметр ухода относительной частоты от резонансной в процентах - [о/ып - I) -100%;

-относительная проводимость, нормированная к максимальному параметру холостого хода излучателя - у/у„(.„„х);

— относительное сопротивление нагрузки, приведенное» к потерям в излучателе - (Rm + /?„)/Rm .

Теперь рассмотрим частотные характеристики ультразвукового пьезокерамического излучателя продольного типа, полученные при расчете по формулам (2-5) при разных значениях нагрузки и параметрах дополнительной индуктивности Lk (см. рис. 3 а —е).

Оценивая приведенные выше кривые, следует отметить, что:

— введение дополнительной индуктивности Lk приводит к пропорциональному уменьшению влияния нагрузки Ц на колебательные свойства излучателя за счет увеличения его эффективной полной проводимости у;

— помимо увеличения полной проводимости излучателя, введение 1.к приводит к частотному сдвигу резонансной частоты системы в целом, пропорционально величине Lk ;

— сдвиг резонансной частоты системы приводит к снижению амплитуды колебаний рабочего торца ультразвукового пьезокерамического излучателя продольного типа (при постоянстве возбуждающего напряжения), что объясняется возникающей разницей между частотами механического (при 1.к = 0 ) и электрического (при Lk * 0)резонансов акустичес-

кои системы н целом.

Поскольку введение ¿к, с одной стороны, улучшает работу излуча теля, делая его более широкодиа-пазонным по на1'рузке, а с другой — снижает выходной технологический параметр (амплитуду колебаний рабочего торца излучателя), - необходимо определить как оптимальное значение величины для заданных условий работы излучателя, так и область применимости данного метода повышения его нагрузочной способности.

С этой целыо введем параметр эффективности использования , который определим, как о тношение проводимости системы с дополнительной индуктивностью Ьк - У0к на частоте механического резонанса к проводимости системы без дополнительной индуктивности на этой же частоте - У0:

'и

На рис. 4 приведены кривые теоретически рассчитанных значений параметра эффективности использования дополнительной индуктивности /ч в зависимости от величины нагрузки для различных значений 1к .

Уровень эффективности, равный единице (при =0 ), введен для наглядности в оценке использования дополнительной индуктивности. Очевидно, что применение дополнительной индуктивности оправдано и эффективнолишьдля больших нагрузок (кот-А>г 7

да п - '), либо для акустических систем с малой добротностью (сболыпими значениями /<„,).

Ьмблиографнчсский список

1. Ультразвуковые преобразователи ; под. ред. Е.Ки-кучи. - М. : МИР, 1972. - 424 с.

2. Аронов П С Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. — А. : Энерго-атомиздат, 1990. — 272 с.

3. Новиков A.A. К вопросу определения фактора электроакустического изоморфизма для ультразвукового излучателя продольного типа // Доклады Академии паук высшей школы России. — 2006. — Nu 1)6). — C.114-121

1 Новиков A.A. Оценка влияния электроакустических параметров ультразвукового пьезоэлектрического излучателя продольного 'типа на его основные частотные характеристики. - Омский научный вестник. — 200В. Сер Приборы, машины и технологии. — № 2 (68). - С. 96-102.

.5 Новиков A.A. Симметрирование амплитудно-частотных характеристик ультразвукового пьезокерами-ческого излучателя. — Омский научный вестник. — 2008. (V|> Приборы, машины и технологии. — №2 (68).-С. 103-106.

1ЮВИКОВ Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, заместитель проректора по научной работе ОмГТУ, доцент кафедры «Материаловедение итех-нол<>гия KOIicrpyKiцн>1 in 1,1 х материалов».

Дата поступления статьи в редакцию: 10.09.200В г. © Повикоп Д.Д.

УДК 621.317.328

С. В. БИРЮКОВ Е. В. ТИМОНИНА

Омский государственный технический университет

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ_

В статье предлагается усовершенствование метода трехкоордииатных измерений напряженности электрического поля, которое сводится к выбору конфигурации чувствительных элементов трехкоординатного сферического датчика и их оптимальных конструктивных размеров, позволяющих значительно уменьшить погрешность датчика от его ориентации в пространстве при измерении в неоднородных полях. Ключевые слова: напряженность, электрическое поле, сферический датчик, погрешность.

Метод трех координа тных измерений напряженности электрического поля (ЭП) относится к методам, основанным па взаимодействии да тчика с полем. Для реализации этого метода предполагается классическое использование трехкоординатного да тчика,

при котором в процессе измерения участвуют все три его координа ты. При таком использовании должно соблюдаться условие полной независимости результирующего сигналатрехкоординатного датчика от его ориентации в пространстве.