Исследование влияния параметров пьезоматериала на основные характеристики гидроакустических преобразователей с произвольным соотношением размеров

• Автор: Касаткин, Сергей Борисович
• Шифр специальности: 05.08.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 173 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Основные характеристики пьезоэлементов с произвольным соотношением размеров
1.1. Основные характеристики пьезокерамических материалов
1.2. Основные характеристики полимерных и композитных пьезоматериалов
1.3. Инженерные методы расчёта основных характеристик пьезопре-образовагелей
1.4. Метод конечных и граничных элементов
1.5. Дифференциальные показатели изменчивости
1.6. Краткая характеристика базовых данных для пьезоэлементов на основе пьезокерамики ЦТБС-3
2. Экстраполяционный метод расчёта основных характеристик пьезо-' элементов на основе пьезокерамики произвольного состава
2.1. Основные характеристики пьезоцилиндров и пьезопластин на основе пьезокерамики ТБК-3
2.2. Основные характеристики пьезоцилиндров и пьезопластин на основе пьезокерамики ТБКС
2.3. Основные характеристики пьезоцилиндров и пьезопластин на основе пьезокерамики ЦТС-19 ... 45~
2.4. Основные характеристики пьезоцилиндров и пьезопластин на основе пьезокерамики НБС-1
2.5. Анализ степени влияния параметров пьезоматериала на основные характеристики пьезоэлементов и корректировка базовых данных
3. Экстраполяционный метод расчёта основных характеристик пьезоэлементов на основе композитной пьезокерамики ... С-?
3.1. Определение полного набора параметров композитной пьезокерамики
3.2. Основные характеристики пьезопреобразователя стержневого типа на основе композитной пьезокерамики с аксиальной поляризацией
3.3. Основные характеристики пьезоцилиндров с аксиальной поляризацией на основе композитной пьезокерамики
3.4. Основные характеристики пьезоцилиндров с тангенциальной поляризацией на основе композитной пьезокерамики
3.5. Основные результаты и выводы
4. Излучатель типа Янус - Гельмгольца
4.1. Эквивалентные параметры излучателя и расчётная схема
4.2. Структура стержневого активного элемента на основе композитной пьезокерамики
4.3. Численный анализ излучателя и его основные характеристики
4.4. Основные результаты и выводы
Заключение' Литература Приложение 1 Приложение 2 Приложение

Введение.
Актуальность проблемы.
Пьезоэлектрические материалы, пьезоэлементы и пьезоэлектрические преобразователи на их основе находят самое широкое применение в различных разделах электроакустики и ультразвуковой техники, гидроакустики и океанотехники. В последние годы наибольшее развитие получили методы акустического мониторинга глобальных процессов, происходящих в океане и атмосфере, поскольку параметры распространения звуковых волн оказались непосредственно связанными с гидроакустическими параметрами морской воды.
При организации глобального акустического мониторинга неизбежно использование низких звуковых частот в диапазоне ЮО-кЗОО Гц., для излучения которых используются мощные пьезокерамические излучатели с большими габаритами и массой порядка нескольких тонн, специально оборудованные суда, а сами экспедиции становятся дорог остоящими и трудоёмкими.
В настоящее время успешно используются свыше десятка различных составов пьезокерамики, которая применяется для разработки гидроакустических излучателей. Однако, пьезокерамика имеет свои недостатки, связанные в основном с высокой механической жёсткостью, затрудняющей согласование с рабочей средой, большой ёмкостью, затрудняющей согласование излучателя с источником энергии, и большой плотностью.
Для устранения ряда недостатков, присущих пьезокерамическим материалам, в последние Юз-15 лет были разработаны полимерные и композитные пьезоматериалы, свойст ва которых могут меняться в чрезвычайно широких пределах, влияя непосредственно на основные характеристики пьезоэлементов такие, как резонансные частоты и коэффициенты электромеханической связи, а следовательно, на рабочие характеристики пьезопреобразователей.
Основное достоинство композитной пьезокерамики заключается в том, что она обладает малой жёсткостью и малой плотностью, а следовательно, гидроакустические излучатели на её основе могут иметь существенно меньшие габариты и массу. Появляется реальная возможность разработки малогабаритных низкочастотных излучателей, носителем которых могли бы быть автономные самоходные средства типа автономных подводных аппаратов, а проблема исследования физических полей океана с их использованием приобретает новый аспект.
Большое количество параметров композитного пьезоматериала, число
которых N>16,И отсутствие простых аналитических связей между ними и основными характеристиками пьезоэлемента с произвольным соотношением размеров затрудняют общий анализ пьезопреобразователей на основе композитной пьезокерамики аналитическими методами.

2. Экстраполяционный метод расчёта основных характеристик пьезоэлементов на основе пьезокерамики произвольного состава
2.1. Основные характеристики пьезоцилиндров и пьезопластин на основе пьезокерамики ТБК-3.
Пьезокерамика состава ТБК-3 разработана на основе титаната бария с добавками кальция и кобальта. Плотность этой пьезокерамики составляет
/7 = 5400к/3 . Химический состав этой пьезокерамики записывается формулой:
Ва0917Са083ТЮ3 + 0,47 вес%СаО.
Рассмотрим более подробно экстраполяционный метод на примере расчёта основных характеристик пьезоэлементов типа цилиндров и круглых пластин на основе пьезокерамики, ТБК-3.
Основные параметры базовой пьезокерамики ЦТБС-3, пьезокерамики
Глх.
ТБК-3 и составляющие вектора приращений | ухоу ВЗЯТЬ1е из И], сведены в табл. 2.1.
Таблица 2.]
Основные параметры пьезокерамики ЦТБС-3, ТБК-3.
СЕ *“'11 СЕ 12 | о 33 . /п Е 55 е31 е33 Є15 4/ * ' Й
Ю10 н/м о к/м1
ЦТБСЗ 15,1 7,9 8 13,6 Г 2,9 -7,9 17,7 15,4 1610 1280
ТБКЗ 15,7 6 3 6,2 15,3 4,4 -3,2 12,5 9
аа,./а/0 0,04 -0,203 -0,225 0,125 0,517 -0,595 -0,294 -0,409 -0,41 -0
В компьютер вводятся массив базовых данных для составляющих вектора основных характеристик Уп = 1 4-5 б диапазоне
изменения геометрических параметров І, = 0,1 -ь 5; = 0,1 -ь 0,9 пьезоэлементов и типа поляризации пьезоцилиндра (Т -- тангенциальной, Р - радиальной, А - аксиальной), а также массив дифференциальных показателей изменчивости Ош 5 взятый из работы [59]. Рис. 2.1 + 2.4. поясняют результаты