Расчет и проектирование пассивных элементов колебательных систем
Расчет и проектирование пассивных элементов колебательных систем
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Кафедра электронной техники и технологии
РЕФЕРАТ
На тему:
«Расчет и проектирование пассивных элементов
колебательных систем»
МИНСК
2008
Волноводы
Волноводы - стержни или трубки постоянного сечения, связывающие преобразователь с нагрузкой. В качестве нагрузки может быть концентратор, преобразователь колебаний, инструмент или технологическая среда. Волновод как согласующий элемент может быть включен в любое место этой цепочки.
Назначение:
1. Согласование механического сопротивления внешней нагрузки (инструмента, технологической среды) с внутренним сопротивлением активного элемента.
2. Крепление колебательной системы в технологической машине или другом устройстве.
Любой волновод характеризуется величиной затухания, добротностью, коэффициентом усиления, резонансной длиной и сдвигом фаз на резонансной частоте.
Волновод однородныйРисунок 1 - Волновод однородный.lp - резонансная длина волновода;d1 - диаметр волновода (при другом сечении размеры определяющие поперечную площадь волновода)., (1)где с - скорость звука в материале волновода, м/с,f0 - резонансная частота излучателя, Гц,n=1, 2, 3… - целое число.Сдвиг фаз: .Волновод с сосредоточенной на конце массойРисунок 2 - Волновод с сосредоточенной на конце массойПри и , (2) , (3)где ц - сдвиг фаз на торцах волновода;k0 - волновое число.Волновод с сосредоточенной массой в любой точкеРисунок 3 - Волновод с сосредоточенной массой в любой точке. При условии, что и ,где f0 - резонансная частота колебательной системы;fp- резонансная частота волновода. (4)Ввиду того, что механические потери в преобразователе (активном элементе) больше, чем в концентраторе, частоту концентратора выбирают ниже, а частоту пакета выше резонансной частоты колебательной системы.Таблица 1 Добротности некоторых материалов на частоте f0 = 20,0 кГц.
Материал
Ст45
Сталь 25НВА
Сплав ВТ-1
Латунь Л59
Алюминий
Медь
Добротность, Q
8000
6300
22000
13000
10000
6300
Концентраторы упругих колебаний
Концентраторы упругих колебаний - служат для усиления колебаний преобразователя (трансформаторы скорости), для трансформирования сопротивления механической нагрузки (среды) до значения близкого к оптимальному внутреннему сопротивлению активного элемента (трансформаторы сопротивлений, а также для преобразования одного вида колебаний в другой).
Поглощение энергии упругими средами описывается уравнением
, (5)
где I0 - подводимая энергия;
I - энергия на выходе устройства;
X - акустическая длина пути в устройств;
бП - коэффициент поглощения акустической энергии в среде.
Если энергия рассеивается в основном в виде тепла, то для некоторых материалов коэффициент поглощения акустической энергии можно оценить из таблица 2
Таблица 2 Коэффициент поглощения для некоторых материалов.
Материал
Al
Mg
Fe
Ст
Cu
бП
0,015
0,067
0,18
0,2…0,6
1,1
Ограничения при проектировании концентраторовВвиду того, что потери акустической энергии в преобразователе больше, чем в пассивном элементе, частоту пассивного элемента выбирают ниже резонансной f = (0,8…0,9)f0, а частоту преобразователя выше резонансной f = (1,1…1,2)f0.Максимально допустимые амплитуды смещения на торце концентратора, исходя из усталостной прочности, не должны превышать (в мм):- у ступенчатых ;- у конусного ;- каплевидного ;у-1р - усталостная прочность материала (кгс/мм2).Для:Ст. 10 160…220 МПаСт. 20 200…250 МПаСт. 45 250…340 МПа40 Х 320…380 МПа40 ХНМА 500…700 МПаD 16 115…120 МПаВТ 3-1 480…500 МПаРазличают следующие основные типы концентраторов: ступенчатый, экспоненциальный, конусный, катеноидальный, каплевидный.Ступенчатый концентраторРисунок 4 - Ступенчатый концентратор. (6)Преимущества:1. Прост в расчете и изготовлении.2. Обеспечивает большой коэффициент усиления.Недостатки:1. Низкая механическая прочность в местах перехода.2. Острая чувствительность к нагрузке.Экспоненциальный концентраторРисунок 5 - Экспоненциальный концентратор. (7)Преимущества:1. Обеспечивает высокий коэффициент усиления.2. Устойчив к нагрузке.3. хорошо просчитывается.Недостатки:1. Сложен в изготовлении.Конусный концентраторРисунок 6 - Конусный концентратор. (8)Преимущества:1. Устойчив в работе.2. Прост в изготовлении.Недостатки:1. Коэффициент усиления меньше чем у двух первых.Катеноидальный концентраторРисунок 7 - Катеноидальный концентратор. ,(9)где v - наименьший положительный корень уравнения,.Каплевидный концентраторРисунок 8 - Каплевидный концентратор.Состоит из трех частей. Участки 1 и 3 представляют собой части обычного ступенчатого концентратора. На участке 2 механическое напряжение максимальное и постоянное по величине. (10)Преимущества:1. Высокий коэффициент усиления.2. Простой расчет.3. Устойчив в работе.4. Высокая равномерность механических напряжений.Недостатки:1. Относительно сложный в изготовлении.ЛИТЕРАТУРА1. Проектирования радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов /О.В.Алексеев, А.А.Головков, И.Ю.Пивоваров и др.; Под ред. О.В.Алексеева. - М.: Высш. шк., 2000. - 479 с.2. Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник/ А.П. Достанко, В.Л.Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев; Под общ. ред. А.П. Достанко. - Мн.: Выш. шк., 20023. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под ред. Р.Г. Варламова. - М.: Радио, 2000.