МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

ЗАЇКА ВАСИЛЬ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 681.518.3

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПРОЕКТУВАННЯ П'ЄЗОКЕРАМІЧНИХ

ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДЛЯ КОМП'ЮТЕРНИХ АКУСТИЧНИХ

ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

05.13.05 - комп’ютерні системи та компоненти

Дисертація на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Науковий керівник

Бондаренко Юлія Юріївна

кандидат технічних наук, доцент

Черкаси 2016

2

ЗМІСТ

стр.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ ………..…………

ВСТУП……………………………………………………………………..

РОЗДІЛ 1. СТАН ПРОБЛЕМИ ДОСЛІДЖЕННЯ П’ЄЗО-

ЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТА МЕТОДІВ ОЦІНКИ ЇХ

ПАРАМЕТРІВ………………………….………………………….…..…...

1.1. Фізичні принципи дії, класифікація відомих п’єзокерамічних

електроакустичних перетворювачів.………………………………….…...

1.2. Електроакустичні перетворювачі …………………………..…….…

1.3. Основні вимоги, що пред'являються до п’єзокерамічних

перетворювачів………………………………………………..…..…....…..

1.4. Методи синтезу п’єзокерамічних перетворювачів………..….…….

1.5. П’єзокерамічні перетворювачі як компоненти комп'ютерних

систем ……………………………………………………………...…….…

1.6. Структурна схема перетворювача енергії на основі

п’єзокерамічного перетворювача……………………………..……..…...

1.7. Висновки до розділу 1……………………………………….…..…...

РОЗДІЛ 2. ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З ЧВЕРТЬ-

ХВИЛЬОВИМИ РЕЗОНАТОРАМИ……....................................................

2.1. Застосування в електроакустичних перетворювачах чверть-

хвильових резонаторів………………………………………………………

2.2. Комп'ютерне моделювання акустичного резонатора………….…...

2.3. ЕАП з четвертьхвильовим резонатором і фазоінвертором…….…..

2.3.1. Вибір необхідного об’єму в повітряному резонаторі.....................

2.4. Метод додаткового коливального контура………………….….…..

2.5. Висновки до розділу 2…………………………………………..…....

5

6

12

13

21

28

30

34

38

40

41

41

45

47

54

55

64

3

РОЗДІЛ 3. ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З

ОБ’ЄМНИМИ РЕЗОНАТОРАМИ ………………………….…….....…...

3.1. Метод підвищення акустичної потужності за допомогою

об'ємнного резонатора ……………………………………………..……...

3.2. Електроакустичний перетворювач з циліндричним

п’єзоелементом………………………………………………………....…..

3.3. Розрахунок передавальної характеристики електроакустичного

перетворювача……………………………………………………..…..…...

3.4. Розрахунок коефіцієнта передачі концентратора акустичного

випромінювання………………………………………………….…..…..…

3.5. Висновки до розділу 3………………………………………….....…..

РОЗДІЛ 4. ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З

ПРОСТОРОВО КУТОВИМ ЗВ'ЯЗКОМ………………………..…….…..

4.1. Просторова енергосилова структура п’єзокерамічних датчиків…...

4.2. Просторово-енергосилова структура п'єзоелементів випроміню-

вачів звуку. Просторово-кутова взаємодія електричних полів……...…..

4.3. Чисельне моделювання п'єзокерамічного перетворювача……..…..

4.4. Просторовий електромеханічний зворотний зв'язок…………….….

4.5. Висновки до розділу 4………………………………………….......…

РОЗДІЛ 5. РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ КОМП’ЮТЕРНОЇ

АКУСТИЧНОЇ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ……….……………......

5.1. Визначення діаграми спрямованості акустичної вимірювальної

системи …………………………………………………………………...…

5.2. Покращення характеристик акустичного далекомірного

датчика…………………………………………………………………....…

5.3. Дослідження частотної характеристики електроакустичного

п’єзокерамічного перетворювача в режимі випромінювання

акустичних (ультразвукових) хвиль………….…..………………….……

65

65

73

78

84

98

99

99

109

120

123

128

129

129

133

147

4

5.4. Висновки до розділу 5……………………….…………………..……

ВИСНОВКИ.....…………………………………………………………..…

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………..……

ДОДАТОК А. - Акти про впровадження результатів дисертаційного

дослідження …………………………………………………………..….....

ДОДАТОК Б. - Лістинг програми роботи стенду для дослідження

діаграми спрямованості……………………………………………..……...

ДОДАТОК В. - Блок-схема програми для аналізу даних на

персональному комп’ютері……….…………………………………..……

154

155

157

174

179

202

5

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ

ПП – п'єзокерамічний перетворювач

ПЕАП – п'єзокерамічний електроакустичний перетворювач

БПЕ – біморфний п'єзокерамічний перетворювач

ЕАП – електроакустичний перетворювач

КЕАП – кільцевий електроакустичний перетворювач

АЧХ – амплітудно - частотна характеристика

ФЧХ – фазо - частотна характеристика

ПК – персональний комп’ютер

ПКМ – п'єзокерамічні матеріали

ЦТС – цирконат - титанат свинцю

ККД – коефіцієнт корисної дії

ЕОМ – електронно обчислювальна машина

ДЖ – джерело живлення

БВ – блок введення

ВБ – вихідний блок

ЗЗ – зворотний зв'язок

МК – мікроконтролер

КС – коливальна система

ПЕСС – просторово - енергосилова структура

ПКВЕП – просторово - кутова взаємодія електричних полів

УП – узгоджуючий підсилювач

ПН – підсилювач напруги

СПД – система передачі даних

АД – акустичний датчик

6

ВСТУП

Актуальність теми. Тема дисертаційного дослідження визначається

необхідністю вирішення задачі контролю, вимірювання та перетворення

параметрів динамічних процесів у приладах, а також вимірювальних і

керуючих комп’ютерних системах, де широко застосовуються п'єзокерамічні

електроакустичні перетворювачі (ПЕАП). Ці перетворювачі є найбільш

ефективними приймачами і випромінювачами звукових і ультразвукових

акустичних хвиль. Завдяки цьому ПЕАП є невід'ємною частиною

ультразвукових вимірювальних систем різних комп’ютерних комплексів. Для

проектування ПП, що відповідають сучасним вимогам

конкурентоспроможності комп'ютерних систем, важливим етапом є розробка

та вдосконалення методів підвищення рівня звукового тиску, зменшення

резонансної та розширення робочої смуги частот цих перетворювачів.

Відмічено, що значний вклад у теорію і практику проектування ПП

внесли В. В. Богородський, Р. Г. Джагупов, В. И. Домаркас, Р-Й. Ю. Кажис,

А. А. Владишаускас, В. Б. Жуков, В. Р. Карлаш, В. Кеді, У. Мезон,

А. Г. Лейко, Г. М. Свердлін, А. І. Трофімов, М. О. Шульга, М. Д. Кошовий,

В. С. Ситніков, М. П. Мусієнко, В. М. Шарапов і учні його наукової школи

п’єзотехніки та багато інших вітчизняних та іноземних учених.

У результаті роботи цих учених узагальнено результати як

практичних, так і теоретичних досліджень різних видів акустичних

перетворювачів, тим не менш, методи проектування, конструкції і схеми

перетворювачів потребують подальшого вдосконалення в зв’язку з

постійною зміною вимог щодо характеристик ПП.

Отже, вдосконалення характеристик існуючих п'єзокерамічних

електроакустичних перетворювачів, котрі застосовуються в комп'ютерних

вимірювальних системах, є актуальною науковою задачею, яка визначає тему

дисертаційної роботи.

7

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота

проводилася відповідно до науково-дослідних робіт: «Розробка нової

технології проектування і створення на її основі малогабаритних

низькочастотних п’єзокерамічних перетворювачів для гідроакустики,

електроакустики, комп'ютерної техніки, приладобудування (№ 0113U003349)

і «Розробка та дослідження нових методів синтезу (проектування)

мономорфних перетворювачів з використанням просторово-кутової взаємодії

вектора електричного поля і вектора поляризації» (№ 0115U000716), де

здобувач брав участь в якості виконавця частини розробки.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення

ефективності комп'ютерних акустичних вимірювальних систем шляхом

розробки нових та вдосконалення існуючих методів та засобів проектування

п'єзокерамічних перетворювачів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- розробити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за

допомогою додаткових елементів шляхом використання в якості додаткових

елементів чвертьхвильових та об'ємних резонаторів та дослідити

ефективність їх використання з метою підвищення рівня звукової

потужності;

- удосконалити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів

за допомогою додаткових елементів шляхом використання трансформаторної

розв’язки для створення в мономорфних п’єзоелементах згинальних

коливань;

- удосконалити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів

за допомогою просторово-кутового зв'язку та дослідити ефективність його

впливу на характеристики мономорфних п’єзокерамічних перетворювачів,

зокрема для створення в них згинальних коливань;

- підвищити ефективність визначення відстані шляхом розробки і

дослідження комп’ютерної акустичної вимірювальної системи на основі

отриманих зразків перетворювачів.

8

Об'єктом дослідження є процеси перетворення електричної напруги

в акустичний сигнал в п'єзокерамічних перетворювачах.

Предметом дослідження є методи та засоби проектування

п'єзокерамічних електроакустичних перетворювачів для комп'ютерних

акустичних вимірювальних систем.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач

удосконалення методів проектування ПП використовувалися математичний

апарат теорії коливань, метод Релея-Рітца, метод електромеханічних

аналогій, комп’ютерне імітаційне моделювання та експериментальні

дослідження зразків перетворювачів. Формулювання і чисельне розв’язання

задачі акустики і електропружності для визначення амплітудно-частотних

характеристик (АЧХ) і рівня акустичного тиску виконувалося програмними

засобами пакета Comsol Multiphysics. Для аналізу перетворювачів

використані також метод фігур Хладні та кінцево-елементний аналіз у

програмі FemLab 3.5. Вірогідність отриманих наукових результатів і

висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з

експериментальними даними.

Наукова новизна отриманих результатів:

- уперше розроблений метод проектування п'єзокерамічних

перетворювачів за допомогою додаткових елементів шляхом використання

об'ємних та чвертьхвильових резонаторів із фазоінверторами;

- удосконалено метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів

за допомогою додаткових елементів шляхом використання трансформаторної

розв’язки для створення в мономорфних п’єзоелементах згинальних

коливань;

- отримав подальший розвиток метод проектування п’єзокерамічних

перетворювачів із урахуванням просторово-кутового зв'язку п'єзоелемента,

зокрема для випромінювачів низькочастотних електроакустичних хвиль на

основі мономорфних п'єзоелементів;

9

- удосконалено методи проектування п'єзокерамічних перетворювачів

для комп’ютерних акустичних вимірювальних систем, що дозволило

покращити їх характеристики шляхом використання лінійної матриці

ультразвукових приймачів на основі розроблених ПЕАП.

Наукова та інженерно-технічна новизна дисертаційної роботи

підтверджується публікаціями та патентами України на корисні моделі.

Практичне значення отриманих результатів:

- удосконалені методи і моделі, схемні і конструктивні рішення

розширили науково-технічну базу проектування ПЕАП;

- удосконалено метод проектування перетворювачів –

випромінювачів звуку шляхом врахування просторової енергосилової

структури п'єзоелемента, що дозволило знизити робочу частоту

перетворювачів на 40 кГц та підвищити в 10 разів рівень звукового тиску;

- розроблено та досліджено схеми збудження перетворювачів –

випромінювачів у вигляді циліндричних п'єзоелементів, що дозволило

збільшити рівень створюваного звукового тиску на 30 дБ;

- розроблено нові схеми підключення мономорфних п'єзоелементів,

що забезпечують у 4 рази більші згинальні коливання, які дозволили на 20-25

дБ збільшити рівень звукового тиску;

- запропонована та експериментально підтверджена доцільність

підключення до п’єзоелемента додаткових електромеханічних контурів,

зокрема чвертьхвильових резонаторів для розширення смуги пропускання на

2 кГц і збільшення акустичної потужності на 20-40 дБ;

- в якості другого контуру для розширення смуги пропускання на 800

Гц, а також підвищення рівня звукового тиску на 30 дБ, запропоновано

застосовувати додаткові коливальні системи, а саме, об'ємні резонатори;

- для розширення смуги робочих частот на 6 кГц та підвищення рівня

звукового тиску на 28 дБ (25 раз), запропоновано вводити додатковий

електричний коливальний контур за допомогою індуктивності та об'ємного

резонатора;

10

- розроблено стенд, який дозволяє проводити дослідження

характеристик, зокрема діаграми спрямованості, п'єзокерамічних

перетворювачів, що працюють на частотах до 60 кГц, з передаванням

результатів вимірювання на ПК;

- розроблена комп’ютерна акустична вимірювальна система з

використанням лінійної матриці ультразвукових приймачів на основі

розроблених ПЕАП, що дозволяє підвищити ефективність визначення

відстані до об’єкту до 10 разів (на відстані в 2 м) у порівнянні з існуючими

аналогами;

- результати досліджень впроваджено у виробництво, а саме, у ПАТ

«Укрп'єзо» та на державному підприємстві НВК «Фотоприлад», а також у

навчальному процесі в Черкаському державному технологічному

університеті.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, що містяться в

дисертаційній роботі, автором отримані самостійно. За результатами

досліджень опубліковано 31 роботу, в тому числі 6 одноосібних праць [7, 11,

12, 13, 24, 30] та 25 праць у співавторстві. У роботах, опублікованих у

співавторстві, дисертанту належить: розробка та дослідження

перетворювачів з об’ємними резонаторами [1, 5, 18-20]; методи синтезу

п’єзокерамічних перетворювачів, удосконалений метод додаткових елементів

[2, 10, 21-25]; розробка нових зразків п’єзокерамічних перетворювачів

[3, 6, 9, 18-31]; методи покращення характеристик циліндричних

п’єзокерамічних перетворювачів [4, 13, 22-31]; експериментальні

дослідження діаграм спрямованості п’єзокерамічних датчиків у схемах

ультразвукових далекомірів [8]; дослідження АЧХ перетворювачів у

залежності від кута між вектором поляризації та вектором напруженості

електричного поля [14-16]; встановлення оптимальних співвідношень між

опорами та ємностями п’єзоелементів у ланцюзі зворотного зв’язку [17].

11

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної

роботи доповідалися й обговорювалися на IV Міжнародній молодіжній

науково-технічній конференції «Людина і космос» (11-13.04.2012 р.,

Дніпропетровськ); на науково-технічної конференції «Фізика, електроніка,

електротехніка ФЕЕ-2014», (21-26.04.2014 р., Суми); на II міжнародній

науково-практичній конференції «Інформаційні технології в освіті, науці і

техніці ІТОНТ-2014» (24-26.04.2014 р., Черкаси); на 10-й міжнародній

молодіжній науково-технічній конференції «Современные проблемы

радиотехники и телекоммуникаций РТ-2014» (12-17.05.2014 р., Севастополь);

на ІІ міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатизації»

(25-26.11.2014 р., Черкаси–Тольятті); на науково-технічній конференції

«Фізика, електроніка, електротехніка ФЕЕ-2015» (20-25.04. 2015 р., Суми); на

ІІІ міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатизації»

(12-13.11.2015 р., Черкаси – Баку – Бельсько-Бяла – Полтава); на IIІ

міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні технології в

освіті, науці і техніці ІТОНТ-2016» (12-14.05.2016 р., Черкаси).

Публікації. Результати дослідження опубліковані у 31 науковій

роботі, в тому числі в 9-ти статтях у фахових виданнях (дві з яких у

закордонних виданнях), 8-ми доповідях на конференціях та 14-ти патентах

України на корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу,

п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків.

Загальний обсяг дисертації складає 203 сторінки, в тому числі 153 сторінки

основної частини. Робота містить 94 рисунки, 9 таблиць, 3 додатка.

12

РОЗДІЛ 1

СТАН ПРОБЛЕМИ ДОСЛІДЖЕННЯ П’ЄЗОКЕРАМІЧНИХ

ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТА МЕТОДІВ ОЦІНКИ ЇХ ПАРАМЕТРІВ

П'єзокерамічні електроакустичні перетворювачі (ПЕАП) є найбільш

ефективними приймачами і випромінювачами звукових і ультразвукових

акустичних хвиль в електро- і гідроакустиці. Завдяки цьому вони є

невід'ємною частиною ультразвукових вимірювальних систем різних

комп’ютерних комплексів. Проблеми технічної акустики визначаються

широким колом прикладних і теоретичних завдань. При цьому основні

вимоги до створення нових методів і засобів в електроакустиці формують

такі сфери діяльності, як дослідження світового океану, задачі навігації,

сейсмології, медицини, а також технічна реалізація акустичних пристроїв

різного призначення.

Така ситуація обумовлює необхідність побудови фізичних моделей

формування і реєстрації звукових полів, а також визначення технічних

прийомів і рішень при побудові акустичних перетворювачів.

Незмінно актуальними залишаються питання виявлення, визначення

координат і елементів руху, а також класифікація різних підводних об'єктів.

При цьому розвиток технічних систем [1, 2] зумовив значні вимоги до

гідроакустичних пристроїв, зокрема: пеленгацію великих відстаней [3] з

підвищеною точністю, що привело до переходу в область низьких частот

[4-7]. Це, в свою чергу, призвело до збільшення масо-габаритних

характеристик акустичних перетворювачів і гідроакустичних антен на їх

основі [8-11].

Другий напрям, обумовлений вимогами підвищення точності

пеленгації об’єктів різної фізичної природи, пов'язаний з розвитком і

вдосконаленням апаратури гідроакустичних систем. [11-14].

13

Таким чином, у сучасній гідроакустиці існує ряд питань, які

вимагають динамічного, сучасного і якнайповнішого їх вирішення.

Для визначення місця описаних у даній роботі методів і пристроїв

необхідно провести аналіз відомих п’єзоперетворювачів, фізичних принципів

їх функціонування, методів управління їх характеристиками.

1.1. Фізичні принципи дії та класифікація відомих

п'єзокерамічних електроакустичних перетворювачів

У більшості п’єзокерамічних електроакустичних перетворювачів

(ПЕАП) має місце подвійне перетворення енергії: електромеханічне, в

результаті якого частина електричної енергії, що підводиться до

перетворювача, переходить в енергію коливань деякої механічної системи, і

механоакустичне, при якому за рахунок коливань механічної системи в

середовищі створюється звукове поле (рис. 1.1).

Рис 1.1. Перетворення енергії в ПЕАП

Найбільш поширені ПЕАП лінійні, тобто задовольняють вимозі

неспотвореної передачі сигналу, а отже, можуть працювати як

випромінювачі і як приймачі та підкорятися принципу взаємності.

Проте існують електроакустичні перетворювачі (ЕАП), що не мають

механічної коливальної системи і створюють коливання безпосередньо в

середовищі, наприклад, електроіскровий випромінювач, котрий збуджує

інтенсивні звукові коливання в результаті електричного розряду в рідині. До

особливого класу ЕАП відносяться приймачі звуку, принцип роботи яких

заснований на зміні електричного опору чутливого елементу під впливом

звукового тиску, наприклад: вугільний мікрофон або напівпровідникові

1 2 3

P, х

U, i F, х

14

приймачі, в яких використовується так званий тензорезистивний ефект -

залежність опору напівпровідника від механічної напруги.

За видом фізичного ефекту, що лежить в їх основі (принципом дії),

ЕАП можуть бути розбиті на наступні групи:

- електродинамічні перетворювачі, дія яких заснована на

електродинамічному ефекті (випромінювачі) і електромагнітній індукції

(приймачі), наприклад, гучномовці, мікрофони;

- електростатичні, дія яких заснована на зміні сили тяжіння

обкладок при зміні напруги і на зміні заряду або напруги при відносному

переміщенні обкладок конденсатора (гучномовці, мікрофони);

- п’єзокерамічні перетворювачі, засновані на прямому і

зворотному п'єзоефекті;

- електромагнітні перетворювачі, засновані на коливаннях

феромагнітного якоря в змінному магнітному полі і зміні магнітного потоку

при русі якоря;

- магнітострикційні перетворювачі, що використовують прямий і

зворотний ефект магнітострикції (рис. 1.2).

За середовищем, в якому працюють ЕАП, їх можна розділити на ЕАП

для роботи в повітрі, у воді (гідроакустичні перетворювачі) і для створення

акустичних коливань у твердих тілах (перетворювачі для неруйнуючого

контролю). В окрему групу можна виділити перетворювачі, що

використовуються в медицині для ультразвукової інтроскопії (УЗІ), які в

даній роботі не розглядаються [1].

Дана робота присвячена п'єзоелектричним електроакустичним

перетворювачам (ПЕАП), що працюють на випромінювання і прийом у

повітряному середовищі.

15

Рис. 1.2. Класифікація ЕАП за принципом дії (фізичним ефектом)

Рис. 1.3. Класифікація ЕАП за середовищем, у якому вони працюють

Перетворювачі-випромінювачі оцінюють за наступними якісними

показниками роботи [15]:

- акустична потужність Ра - кількість звукової енергії, що

випромінюється перетворювачем за одиницю часу. Величину Ра, віднесену

до одиниці площі випромінюючої поверхні, називають питомою акустичною

потужністю Рпит;

Електроакустичні

перетворювачі

Електродинамічні

(гучномовці)

Електростатичні

(гучносовці, мікрофони)

Електромагнітна

індукція (мікрофони)

П’єзокерамічні

(випромінювачі і

приймачі)

Електромагнітні

Магнітострикційні

Електроакустичні

перетворювачі

Перетворювачі для

роботи в повітряному

середовищі

Гідроакустичні

перетворювачі

Перетворювачі

для медицини

Перетворювачі для

неруйнівного контролю

16

- електроакустичний ККД За - відношення випромінюваної

акустичної потужності до активної електричної потужності Ре, спожитої

перетворювачем від генератора збудження;

- вхідний електричний опір Z - відношення прикладеної напруги Uк до

сили струму I в ланцюзі випромінювача;

- характеристика спрямованості оцінює просторовий розподіл поля і є

відношенням створюваного випромінювачем звукового тиску в дальньому

полі до максимального значення, залежно від кутових координат точки

спостереження;

- коефіцієнт осьової концентрації Но визначають відношенням

інтенсивності звуку, що створюється випромінювачем по напряму головного

максимуму в точці дальнього поля до інтенсивності ненаправленого

випромінювача з такою ж випромінюваною потужністю на тій же відстані.

Перетворювачі - приймачі характеризують за наступними

показниками роботи:

- чутливість М визначається напругою холостого ходу на виході

перетворювача;

- електричний опір Z встановлює співвідношення між напругою, що

створюється на виході приймача і силою струму в його ланцюзі;

- характеристика спрямованості - це нормований по відношенню до

максимуму кутовий розподіл чутливості приймача;

- коефіцієнт концентрації К0 - відношення квадрата чутливості в

максимальному напрямі до середнього квадрата чутливості на всіх

напрямках. Для оборотних перетворювачів коефіцієнти концентрації в

режимах випромінювання і прийому чисельно рівні.

Ефективність приймача також оцінюють за питомою чутливістю

/iпчМ М Z (тут М - чутливість холостого ходу; iZ - модуль внутрішнього

(вихідного) опору приймача), що характеризує його завадостійкість до шумів

17

електричних ланцюгів. Всі перераховані параметри перетворювачів залежать

від частоти.

Принцип дії п’єзокерамічних перетворювачів заснований на

використанні прямого або зворотного п’єзокерамічних ефектів. Суть прямого

п’єзокерамічного ефекту полягає в електричній поляризації певного класу

діелектриків при механічній напрузі в їх матеріалі. Зворотний

п’єзокерамічний ефект характеризується тим, що електрична поляризація

викликає механічну напругу в п'єзоматеріалі або зміни геометричних

розмірів п'єзоелемента.

Особливістю п’єзокерамічного ефекту є знакочутливість, тобто зміна

знаку заряду при переході від стискування кристала до розтягування і зміна

знаку деформації при зміні напряму поляризуючого поля.

Слід розрізняти явище п'єзоелектрики і близьке до нього явище

електрострикції. Суть останнього полягає також у поляризації діелектрика під

дією прикладеної зовнішньої сили, проте у випадку електрострикції

поляризація пропорційна квадрату прикладеної механічної напруги і не

змінює знак при зміні знаку прикладеної сили [15-18].

Спорідненим для цих фізичних ефектів є піроелектрика, суть якої

полягає в поляризації діалектрика внаслідок нагрівання.

Характеристики п'єзокерамічних матеріалів:

П'єзокерамічними матеріалами (ПКМ) є сегнетоелектричні з'єднання

або їх тверді розчини, отримані синтезом з суміші різних оксидів і солей [19].

Залежно від призначення, ПКМ підрозділяються таким чином:

1. «Сегнетом’які» ПКМ. Застосовуються для виготовлення

високочутливих перетворювачів, що працюють без жорстких вимог щодо

стабільності параметрів до дії дестабілізуючих чинників (підвищених

температур, електричних і механічних полів).

18

ПКМ загального призначення. До них відносяться матеріали ЦТС-19 і

ЦТС-19(цт). ЦТС-19(цт) є модифікацією ЦТС-19 з підвищеними

(рекордними для даного матеріалу) значеннями п’єзокерамічних модулів

(dik). Це підвищення досягнуте за рахунок заміни сировинних компонентів

оксиду цирконію і оксиду титану на спеціально розроблену високоактивну

сировину - титанат цирконію (цт).

ПКМ спеціального призначення зі зниженою діелектричною

проникністю і високою чутливістю в режимі прийому. До них відноситься

матеріал ЦТС-36, що випускається, зазвичай, у вигляді горячепресованих

блоків і призначений, головним чином, для виготовлення перетворювачів

ультразвукових ліній затримки.

ПКМ спеціального призначення з підвищеними значеннями

діелектричної проникності та п'єзомодулей. До них відноситься матеріал

НЦТС-2. Ці матеріали призначені для використання в телефонних пристроях

з підвищеною чутливістю.

2. «Сегнетожорсткі» ПКМ. Застосовуються для виготовлення

перетворювачів, що працюють у режимі прийому і випромінювання в умовах

дії сильних електричних полів або механічної напруги. До них відносяться

матеріали ЦТС-23, ЦТССт-3 (цт) і ЦТБС-7. Матеріали ЦТС-23 і ЦТССт-3

(цт) добре зарекомендували себе при використанні в п'єзоелементах систем

запалення і гідроакустики. ЦТССт-3 (цт) і ЦТБС-7 можна рекомендувати для

виготовлення п'єзотрансформаторів і ультразвукових випромінювачів

підвищеної потужності.

3. ПКМ для частотно-селективних пристроїв. Застосовуються для

виготовлення п'єзоелементів (що володіють підвищеною температурною і

тимчасовою стабільністю частотних характеристик) частотно-селективних

пристроїв на об'ємних і поверхнево акустичних хвилях.

Матеріали для частотно-селективних пристроїв на об'ємних хвилях

планарної моди коливань. Застосовуються в основному при створенні

19

фільтрів на дискретних п’єзоелементах. До них відносяться матеріали

ЦТС-38, ЦТС-39 і ЦТС-40.

Матеріали для частотно-селективних пристроїв на об'ємних хвилях

моди коливань стискування-розтягування по товщині. Представниками цієї

підгрупи є матеріали ЦТС-35 і ЦТС-35У. ЦТС-35У випускається у вигляді

горячопресованих блоків.

Матеріали для частотно-селективних пристроїв на об'ємних хвилях

моди коливань збудження по товщині. Представником цієї підгрупи є

матеріал ЦТС-35. Матеріали цих підгруп використовуються при створенні

монолітних фільтрів для частотно-модульованих сигналів на частоти до

10 МГц.

Матеріали для частотно-селективних пристроїв на поверхневих

акустичних хвилях. До цієї підгрупи відноситься матеріал ЦТС-33, що

виготовляється у вигляді горячопресованих блоків. Вони застосовується при

розробці фільтрів на частоти до 40 МГц.

Високотемпературні ПКМ. Високотемпературні ПКМ

використовуються для виготовлення п'єзоелементів, що працюють при

температурах не менше 250°С. До цієї групи входять матеріали ЦТС-21,

ЦТС-26, ТНаВ-1 і ТНВ-1, що забезпечують підвищені робочі температури

п'єзоелементів (250-750°С). Для підвищення температурної стабільності

п'єзомодуля (d33) розроблені модифікації матеріалів ЦТС-26 і THaB-1,

ЦТС-26М і THaB-lM.

Великий клас п'єзоперетворювачів можна класифікувати за

наступними ознаками:

1. за типом п'єзоефекту (з використанням прямого п'єзоефекту, з

використанням зворотного п'єзоефекту (резонансні), з використанням

одночасних прямого і зворотного п'єзоефектів);

20

2. за видом фізичних ефектів (термочутливі, тензочутливі,

акусточутливі, гірочутливі, контактні (що використовують контактну

жорсткість і фактичну площу контакту);

3. за видом коливань (за лінійним розміром, радіальні, згинальні,

крутильні, зсувні, на поверхнево акустичних хвилях; комбіновані);

4. за кількістю п'єзоелементів (моноелементні, біморфні:

симетричні, асиметричні, триморфні: планарні і компланарні);

5. за вживаним матеріалом (монокристалічний кварц,

монокристалічний ніобат літію;

6. за призначенням (для вимірювання динамічного тиску і зусиль;

для вимірювання відстаней, швидкості і прискорень; для вимірювання

параметрів вібрацій; для вимірювання статичного тиску і зусиль; для

вимірювання параметрів удару; для вимірювання звукового тиску; для

медицини: для ультразвукових томографів, для вимірювання пульсу, для

вимірювання тонів Короткова, для урології, для офтальмології; для

вимірювання вологості; для вимірювання в'язкості; для гідроакустики; для

гіроскопів; для газоаналізаторів; для вимірювання температури; для

вимірювання контактної жорсткості; для вимірювання фактичної площі

контакту; для вимірювання магнітних величин; для вимірювання в оптиці;

для вимірювання мікропереміщень; для вимірювання концентрації пилу та

ін.).

Похибки п’єзокерамічних перетворювачів визначаються, в основному,

нестабільністю п'єзомодулів або коефіцієнта електромеханічного зв'язку під

дією дестабілізуючих чинників. Тому найбільш поширеним консервативним

методом підвищення точності п'єзоперетворювачів є застосування для їх

виготовлення монокристалічних матеріалів, зокрема кварцу. Основними

перевагами кварцу є висока твердість, стійкість до дії ряду кислот, мале

теплове розширення, надзвичайно висока добротність (105-10

6) і стабільність

(10-3

-10-5

%).

21

Проте коефіцієнт електромеханічного зв'язку кварцу приблизно на

порядок, а п'єзомодулі - на два порядки менше, ніж відповідні параметри у

п'єзокераміки. Крім того, недоліками кварцу є мала діелектрична проникність

і власна ємкість кварцових пластинок, які шунтують ємність кабелю і

вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв, а це значно зменшує чутливість

перетворювачів.

Перспективнішим п'єзоелектричним матеріалом є п'єзокераміка, яка

володіє в порівнянні з такими природними п'єзоелектриками як кварц,

сегнетова сіль, турмалін, високою чутливістю, механічною міцністю,

підвищеною температурною стабільністю [20, 22, 26].

1.2. Електроакустичні перетворювачі

Електроакустичні перетворювачі (ЕАП) можуть бути побудовані на

різних фізичних принципах. ЕАП активно застосовуються в газових, рідких і

твердих середовищах.

Існують [23] механічні, електродинамічні, магнітострикційні,

електростатичні, п’єзокерамічні ЕАП. Оскільки ця черговість відображає

хронологію створення ЕАП, слід зазначити, що найбільше застосування в

газових середовищах на сучасному етапі знайшли п’єзокерамічні

перетворювачі.

П’єзокерамічні перетворювачі, що працюють на випромінювання і

прийом в газових та інших середовищах, конструктивно можуть бути або

тільки випромінювачами і приймачами, або суміщати в собі властивості

приймача і випромінювача одночасно. В останніх виявляється оборотність

видів енергії: електричної в акустичну і навпаки.

П’єзокерамічним, як і магнітострикційним, перетворювачам, що

працюють на повздовжніх коливаннях, властиві порівняно невеликі

амплітуди зсуву на робочій поверхні. Збільшення амплітуд зсувів може бути

досягнуте введенням між поверхнею перетворювача і повітрям додаткового

22

шару узгоджуючої рідини [24, 25] або шару повітря [27, 28], які від робочого

середовища відділяються тонкою акустично прозорою мембраною, як це

показано на рис. 1.4.

Рис. 1.4. П’єзокерамічний перетворювач з узгоджуючим шаром:

1 - узгоджуюча рідина; 2 - мембрана; 3 - п'єзоелемент; 4 - корпус; 5 - задня

кришка

Такі перетворювачі вузькосмугові через резонансні властивості

узгоджуючих шарів, хоча коефіцієнт передачі таких перетворювачів удається

збільшити до 9 разів у порівнянні з перетворювачами, що працюють на

повздовжніх коливаннях без узгоджуючих шарів.

В описі винаходу [29] запропонований п’єзокерамічний

перетворювач, який складється з круглого п’єзокерамічного диска і

концентратора спеціальної форми. На кінці торця концентратора амплітуда

зсувів виходить значної величини, а форма концентратора, що

розширюється, дозволяє уникнути небажаних у цьому випадку паразитних

коливань. З повітрям перетворювач узгоджений за допомогою рупора. Такий

перетворювач використовується в ультразвуковому далекомірі УД-1 [30] як

випромінювач і дозволяє вимірювати відстані від 1 до 5 м. У режимі прийому

в цьому ехолокаторі використовується звичайний п’єзоелемент повздовжніх

коливань, оскільки чутливість вищеописаного перетворювача в режимі

прийому незадовільна. До недоліків такого перетворювача відносяться великі

габарити і вага.

23

Ряд конструкцій вимірювальних перетворювачів описаний в роботі

[31]. Це сферичні і циліндричні перетворювачі, що володіють круговою

діаграмою спрямованості. Вони можуть бути використані для вимірювань у

газових і рідких середовищах, але їх чутливість порівняно низка.

Деякий інтерес представляють п'єзокерамічні перетворювачі, що

працюють на радіальних коливаннях [21]. Це п'єзокерамічні диски і

циліндри. Конструктивно дискові перетворювачі (рис. 1.5) нічим не

відрізняються від перетворювачів, що працюють на повздовжніх коливаннях.

Рис. 1.5. П’єзокерамічний перетворювач радіальних коливань:

1 - п'єзоелемент; 2 - корпус; 3 - прокладка; 4 - задня кришка

При товщині п'єзокерамічного диска менше його діаметру перший

радіальний резонанс перетворювача має нижчу частоту в порівнянні з

частотою резонансних коливань по товщині. Це дозволяє створити

малогабаритні низькочастотні перетворювачі. Інші їх характеристики схожі з

характеристиками перетворювачів, що збуджуються на повздовжніх

коливаннях. Ці перетворювачі успішно використовуються в ультразвуковому

профілографі ґрунту [33].

Циліндричні п’єзокерамічні перетворювачі мають більшу робочу

поверхню, ніж дискові перетворювачі, тому вони володіють і великим

коефіцієнтом передачі в газовому середовищі.

24

Одна конструкція перетворювачів такого типу зображена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Циліндричний п’єзокерамічний перетворювач:

1 - корпус; 2 - циліндричний п'єзоелемент; 3 - внутрішній відбивач

Цей перетворювач складається з корпусу відбивача 1,

п'єзокерамічного циліндра 2, нерегульованих внутрішніх відбивачів 3.

Ультразвукові хвилі, що випромінюються стінками циліндра 2 і відображені

відбивачами 1, 3, підсумовуються в горловині перетворювача. Основними

недоліками такого перетворювача є мала механічна міцність конструкції.

При жорсткішому кріпленні п'єзокерамічного циліндра коефіцієнт передачі

перетворювача різко падає.

Для прийому і випромінювання ультразвукових коливань у газові

середовища значний інтерес представляють перетворювачі згинальних

коливань. Вони відрізняються досить високим коефіцієнтом

електроакустичної трансформації і дозволяють отримати порівняно великі

амплітуди зсувів.

Принципово існують два методи збудження коливань у пластинах

[33]. Це збудження згинальних хвиль при дії збудливої сили на поверхні

пластинки і дії збудливої сили в середині пластинки. Збудження згинальних

хвиль у середині пластинки має місце в разі, коли пластинка виготовлена з

п'єзокерамічного матеріалу.

25

Залежно від частоти збудження в мембрані можна порушувати

згинальні коливання, які в цьому випадку мають складний розподіл амплітуд

зсувів на поверхні пластини [34, 35].

а б

Рис. 1.7. П’єзокерамічний перетворювач згинальних коливань:

а - з'єднання електродів перетворювача при поляризації, б - з'єднання

електродів працюючого перетворювача

Збудження згинальних хвиль у середині пластинки може бути

здійснене і при використанні електродів певної конфігурації. Наприклад,

розташовуючи на поверхні круглої п'єзокерамічної пластинки електроди так,

як це зображено на рис. 1.7. а [3], можна значно збільшити електромеханічну

трансформацію перетворювача. На рис. 1.7.б показано вигин круглої

затисненої п'єзопластини під час дії рівномірно розподіленого тиску.

У кругових областях між електродами механічна напруга дорівнює нулю

[33]. Як видно з рис. 1.7, з'єднання електродів при поляризації відрізняється

від з'єднання електродів працюючого перетворювача. Для підвищення

чутливості перетворювача при закріплених краях використовується система

електродів для тангенціальної поляризації в протилежних напрямах

центральної і периферійної частин п’єзокерамічного диска (рис. 1.7).

Під час роботи перетворювача використовується крайній електрод

периферійної частини і центральний електрод, як це показано на рис. 1.8. б.

Як приклад чутливості перетворювачів такого типу можна привести дані з

роботи [36]. Акустичний приймач з титанату барію діаметром 50 мм і

завтовшки 0,3 мм при поляризації по товщині пластинки має статичну

- - -

+ +

+

+

-

+

- - +

+ + -

-

26

чутливість 35 В/Па, ємність 103 пФ, а при тангенціальній поляризації

чутливість підвищується до 600 В/Па, при ємності 120 пФ. Це в багато разів

перевершує чутливість п’єзокерамічних перетворювачів, що працюють на

повздовжніх коливаннях. Але недоліком таких перетворювачів є мала

механічна міцність.

а б

Рис. 1.8. П’єзокерамічний перетворювач згинальних коливань

тангенціальної поляризації: а - з'єднання електродів перетворювача при

поляризації; б - з'єднання електродів працюючого перетворювача

При збудженні згинальних хвиль силою пластинки, що діє на її

поверхні, може бути використаний спосіб збудження за зсувним збуренням,

розподіленим по всій поверхні пластинки [37]. При такому збудженні

згинальних хвиль у пластинці використовуються електроакустичні активні

елементи у вигляді п'єзокерамічних пластин тангенціальної поляризації [3].

Перетворювачі, що працюють за цим способом, конструктивно нічим

не відрізняються від перетворювачів, у яких використовується спосіб

збудження згинальних коливань нормальними (перпендикулярними до

поверхні пластинки) збуреннями, розподіленими по всій поверхні пластинки.

У даному випадку використовуються п’єзокерамічні пластинки

нормальної поляризації [38]. Наприклад, якщо склеїти дві прямокутні

п’єзокерамічні пластинки [39] і живити їх змінною електричною напругою

(рис. 1.9), тоді в цьому, так званому, симетричному біморфному

п’єзокерамічному перетворювачі виникають згинальні коливання.

-

+

-

+

27

Рис 1.9. Симетричний біморфний п’єзокерамічний перетворювач

Резонансна частота перетворювача обумовлюється довжиною і

товщиною п'єзопакету і, зазвичай, не перевищує 20 кГц. Перетворювачі

такого типу мають діаграми спрямованості складної форми [39, 40]. Для

отримання однохвилевої діаграми спрямованості як в симетричних, так і в

асиметричних перетворювачах використовуються різного роду насадки і

рефлектори (“пастки”) [41]. Такі перетворювачі використовуються для

вимірювання швидкості і прискорення. Деякі з таких перетворювачів

представлені на рис. 1.10. Основним недоліком цих перетворювачів є мала

механічна міцність.

Стрілками показаний напрям поляризації п’єзокерамічних пластинок

а б

Рис. 1.10. Варіанти конструкцій складених випромінювачів для

придушення бічних пелюсток у діаграмі спрямованості: 1 - випромінювачі,

2 - пастки; а - конусоподібна; б - прямокутна

1

2

2

1

28

1.3. Основні вимоги, що пред'являються до п’єзокерамічних

перетворювачів

У зв'язку з тим, що випромінювання перетворювачів найефективніше на

частоті резонансу їх механічної коливальної системи, перетворювачі в режимі

випромінювання використовують, як правило, на резонансних або близьких до

них частотах. Сучасні гідроакустичні станції працюють у діапазоні частот від

одиниць герц до декількох мегагерц, і щоб перекрити такий діапазон,

застосовують цілу гамму гідроакустичних перетворювачів, що відрізняються

способами перетворення енергії, формами коливань і типами конструкцій [5].

Для мінімізації типорозмірів перетворювачів бажана велика

широкосмуговість перетворювачів. Широкосмуговість перетворювача можна

забезпечити застосуванням негативного зворотного зв'язку або домено-

дисипативних п'єзоелементів.

Як приклад, для забезпечення заданого коефіцієнта концентрації

антени і випромінюваної нею потужності, використаніі в ній перетворювачі

повинні мати відповідні хвильові розміри, дисперсію амплітудних і фазових

помилок. А також необхідні значення питомих випромінюваних потужностей

і ККД.

Оскільки гідроакустичні антени встановлюють у забортному просторі

різних носіїв, їх робочі глибини (відповідно змінюються значення

гідростатичного тиску перетворювачів) можуть знаходиться в інтервалі від

декількох метрів до декількох кілометрів.

Перешкодостійкість антени залежить від ступеня її захищеності від

електричних шумів - власне приймачів і сполучених з ними

радіоелектронних елементів, а також перешкод моря і шумів об'єкту - носія

антени.

У загальному випадку захищеність приймача від шумів електронних

елементів і власних шумів визначає значення порогового (мінімального)

29

тиску РП. Захищеність п’єзокерамічних приймачів від основного джерела

шумів - електричних шумів попередніх підсилювачів забезпечують вибором

відповідного значення їх чутливості холостого ходу М і внутрішнього опору

Z, тобто питомій чутливості приймача:

Мвід = М / Z . (1.1)

Для забезпечення необхідної широкосмуговості, зазвичай,

використовують рівномірні дорезонансні ділянки амплітудно-частотної ха-

рактеристики приймача.

Таким чином, сучасні перетворювачі повинні володіти робочими

частотами, хвильовими розмірами, питомими потужностями, ККД,

питомими чутливостями, широкосмуговістю і робочими глибинами, які

забезпечували б необхідну дальність дії гідроакустичної станції.

Перетворювачі експлуатують у морській воді при дії різних

агресивних чинників (корозія, кавітація, обростання), а також широкого

діапазону температур і гідростатичного тиску. Крім того, під час роботи в

режимі випромінювання на перетворювач впливає значна електрична і

циклічна механічна напруга. Наслідок всіх цих чинників - накопичення у

відповідних елементах конструкції механічних і електричних пошкоджень.

Щоб забезпечити надійне кріплення вузла, який перетворює енергію

(так званого активного елементу), доводиться вводити спеціальні

конструктивні елементи, виконані з відповідних матеріалів. Вони

забезпечують хорошу електроізоляцію та герметизацію для акустичного

екранування конструкції перетворювача

Це все робить гідроакустичні перетворювачі достатньо складними і

дорогими. Завдання проектування ПП - це використання в них матеріалів,

котрі будуть забезпечувати задану ефективність, надійність і довговічність

при мінімальній вартості перетворювача [40].

30

1.4. Методи синтезу (проектування) п’єзокерамічних

перетворювачів

Існує значна кількість методів проектування п’єзокерамічних

перетворювачів, деякі з них показані на рис. 1.11 [1, 5].

Рис. 1.11. Відомі методи синтезу п’єзокерамічних перетворювачів

При вивченні п'єзоелементів можна розглядати дані методи з різних

точок зору. Наприклад, можливо розглядати п'єзоелемент з точки зору

просторової енергосилової структури, що коливається на резонансній частоті

під дією електричної напруги; змінювати характеристики

п'єзоперетворювача, використовуючи електромеханічний зворотний зв'язок

або метод просторового розміщення електродів і.т.д.

Досить перспективним є метод додаткових елементів. Основна суть

даного методу полягає в тому, що до п'єзоелементів приєднують додаткові

електричні або механічні коливальні контури, які змінюють характеристики

п’єзоекерамічних перетворювачів. Тут можливі, як мінімум, два варіанти. У

першому випадку до п’єзоелемента механічно приєднується другий

п’єзоелемент, металева пластина або ультразвуковий концентратор [42].

31

У другому випадку до п’єзоелемента електрично приєднується

ємність, індуктивність, коливальний контур, п’єзоелемент або частина

п’єзоелемента [40].

Два п’єзоелемента, сполучені між собою механічно і електрично

(симетричний біморфний п’єзоелемент), дозволяють збільшити чутливість у

10-20 разів і в стільки ж раз зменшити резонансну частоту. З'єднання

п’єзоелемента і металевої пластини (асиметричний біморфний п’єзоелемент)

також приводить до збільшення на порядок чутливості і зменшення

резонансної частоти.

Приєднання ультразвукового концентратора до п’єзоелемента [44]

збільшує амплітуду коливального зсуву (або швидкості), що дозволяє

використовувати такі пристрої для ультразвукового різання, миття,

розпилювання рідини [35], а також у вимірювальних пристроях на основі

резонансних п’єзоелементів [45, 46, 47]. Не менш перспективним є

використання концентраторів для збільшення потужності низькочастотних

ультразвукових випромінювачів [48, 49].

У зв'язку з тим, що п’єзоелемент є електромеханічним пристроєм,

якому відповідає електричний ланцюг (в окремому випадку - послідовний

коливальний контур), підключення до нього електричних елементів

(резисторів, конденсаторів, індуктивностей) можуть змінювати

характеристики п’єзоперетворювачів.

Наприклад, послідовне підключення резистора з п’єзоелементом

зменшує його добротність і розширює робочу смугу частот [50].

Уключення ємності між вхідною і вихідною системами електродів

п’єзотрансформаторного датчика також дозволяє розширити робочий

діапазон частот [51].

Якщо на вхід п’єзоелемента підключити індуктивність Lдод так, щоб ця

індуктивність і міжелектродна ємкість Сел утворили послідовний

коливальний контур, то характеристики п’єзоелемента зміняться [52, 53].

32

Сд R

Cвх

Lд

~

Свых

Lдод

Рис. 1.12. Еквівалентна схема перетворювача з додатковою

індуктивністю.

На цій схемі Свх - ємність між вхідними і вихідними електродами

Lд, Cд, R - так звані динамічні індуктивністі, ємність і активні втрати в

п’єзоелементі.

Розглянемо вхідний ланцюг перетворювача, що містить

індуктивність Lдод і міжелектродну ємність Свх. Якщо вибрати Lдод із

співвідношення

2 2

1

4дод

р вх

Lf С

. (1.2)

де fр - резонансна частота п’єзоелемента, тоді резонансна частота, fдоб

послідовного коливального контура Lдод Свх. дорівнюватиме резонансній

частоті п’єзоелемента, тобто дод рf f .

Крім того, індуктивність Lдод разом с динамічною індуктивністю Lд

створюють додаткову резонансну частоту, яка може знаходитися нижче за

основну резонансну частоту п’єзоелемента fр.

Якщо розрахувати індуктивності так, щоб контури Lдод·Свх і

(Lдод1 + Lдод2)·Свих мали резонансну частоту, рівну резонансній частоті fр

п’єзоелемента, можна отримати додаткове збільшення звукового тиску на 5-6

дБ [53].

Підключення індуктивності між електродами п’єзотрансформаторного

датчика дозволяє збільшити рівень вихідної напруги і акустичної потужності

п’єзовипромінювача, розширивши при цьому смугу пропускання та інші

параметри [134].

33

Перетворювачі, зображені на рис. 1.13 і 1.14, дозволяють збільшити

звуковий тиск на 20-25 дБ у порівнянні з перетворювачем ЗП-19 без

додаткових індуктивностей.

Cвх

Lдод2

~

Lдод1

Свых

Рис. 1.13. Перетворювач ЗП-19 з двома індуктивностями

Ще один варіант схеми з двома індуктивностями показано на

рис. 1.14.

Cвх

Lдод2

~

Свых

Lдод1

Рис. 1.14. Варіант схеми перетворювача з двома індуктивностями

Зміна форми електричного сигналу, що поступає на перетворювач,

може привести до зміни його технічних характеристик. Наприклад, якщо

подати на електроакустичний перетворювач електричну напругу в формі

меандру, АЧХ такого перетворювача розширюється у бік низьких частот

[84, 132].

При подачі на п’єзоелемент одночасно двох сигналів перетворювач

може набути нових властивостей і функцій. Наприклад, якщо подати на

п’єзоелемент з двома входами два сигнали синусоїдальної форми, близькі до

його резонансної частоти, може бути отриманий низькочастотний сигнал

достатньо високої потужності [51, 54]. Потужність може бути збільшена,

34

якщо на один із входів подати синусоїдальний сигнал, а на другий вхід -

сигнал у вигляді меандру [55]. Вельми перспективні результати можуть бути

отримані, якщо на обидва входи подати сигнали у формі меандру [51] або на

один вхід подати шумовий сигнал, а на другій - синусоїдальний [52].

Нарешті, на один із входів п’єзоелемента з трьома системами

електродів можна подати шумовий сигнал, а на другий і третій - сигнал у

формі меандру [52].

Можливе застосування комбінованих технологій. У цьому випадку

використовуються одночасно або в різних комбінаціях технології, описані

вище. Неважко побачити, що в цьому випадку з одного п’єзоелемента

можуть бути отримані сотні варіантів датчиків з різними характеристиками,

серед яких можна вибрати варіант з необхідними або якнайкращими

характеристиками (підвищення точності, стабільності, чутливості,

розширення робочого діапазону частот і ін.) [56-59].

1.5. П’єзокерамічні перетворювачі, як компоненти комп'ютерних

систем

Автоматичне управління різними процесами, зокрема з

використанням ЕОМ, передбачає збір інформації про стан керованого

об'єкту. Збір інформації проводиться за допомогою первинних

перетворювачів (датчиків), чутливих елементів регуляторів і різних

маніпуляторів, загальною особливістю яких є пряме або зворотне

перетворення одного виду енергії в іншій. Оскільки практично будь-який

процес завжди зв'язаний з необхідністю здійснювати той або інший вид

механічної роботи, найбільш поширеними елементами систем управління є

електромеханічні перетворювачі. Основу таких перетворювачів і до

теперішнього часу складають електромагнітні механізми.

35

Незалежно від конструкції і використаних у них матеріалів

електромагнітні механізми володіють рядом принципових недоліків, які

практично не усунені. Це, насамперед, неможливість створення твердотілих

монолітних конструкцій, що спричиняє труднощі, пов'язані з підвищенням

надійності і зниженням масогабаритних показників. Крім того, робота

електромагнітних механізмів пов'язана зі споживанням струму, що негативно

позначається на значеннях ККД і ускладнює їх використання в умовах

вибухонебезпечних виробництв. Наявність кінематичних вузлів у конструкції

приводить до того, що електромагнітні перетворювачі володіють низькою

стійкістю до дії різних зовнішніх чинників, таких, як температура, агресивні

середовища, трясіння, вібрації, перевантаження тощо.

Негативний вплив перерахованих недоліків став особливо гостро

відчуватися останнім часом у зв'язку з розвитком і широким упровадженням

електронних засобів обробки інформації на базі інтегральних мікросхем,

локальних розподілених систем управління з мікропроцесорами і мікро ЕОМ.

Це викликано тим, що електромагнітні елементи автоматики використовують

у сукупності з високоефективними електронними пристроями, з якими вони

практично несумісні за багатьома експлуатаційними характеристиками. І

сьогодні можна з повною впевненістю стверджувати, що численні різновиди

електромагнітних елементів слід замінювати (де це можливо) на досконаліші

функціональні аналоги.

Такими високоефективними функціональними аналогами є твердотілі

п’єзокерамічні перетворювачі, що володіють таким же високим ступенем

надійності, як і інтегральна електронна апаратура (інтенсивність відмов на

рівні 610). Крім того, оскільки процес перетворення енергії в п'єзоелементах

відбувається за рахунок дії електричного поля, а не за рахунок споживання

струму, на їх базі можуть створюватися вибухобезпечні пристрої з високим

ККД.

36

Проте проблема вдосконалення і розвитку систем управління і

контролю не вирішується тільки заміною електромагнітних перетворювачів

п'єзоелектричними. У сучасних системах інформація, котра отримана від

датчиків та поступає на керуючі пристрої (мікро ЕОМ), може зазнавати

безліч різних енергетичних перетворень.

Так при управлінні об'єктом, що має механічну природу, в системі з

ЕОМ і оптичним каналом зв'язку потрібно перетворити механічну енергію в

світлову, а світлову - в електричну.

Аналізуючи розвиток сучасних систем управління і контролю, можна

дійти до висновку, що найбільш гостра потреба відчувається в елементах і

пристроях, в основі яких лежить п’єзокерамічний принцип перетворення

сигналів.

У довідниковій літературі п’єзокерамічні елементи представлені у

вигляді узагальнених перетворювачів енергії. Розглянуто декілька видів

енергії: механічна, енергія рухомою магнітного поля і світлова. Це дозволило

систематизувати і описати багато класів перетворювачів, що відрізняються

один від одного видом енергії на вході та виході.

Можливість використання п’єзоелектриків для побудови ефективних

елементів і пристроїв з'явилася на початку 1960-х рр., коли був заснований

промисловий синтез п’єзокерамічних матеріалів, що володіють високою

чутливістю, механічною міцністю і дешевизною виробництва.

На сьогоднішній день вирішено велике число проблем щодо

дослідження п'єзокерамічних елементів, створення на їх основі ефективних

пристроїв автоматики і обчислювальної техніки, їх застосування в різних

системах контролю і управління. Проте інформація з цього питання, яка є в

різних публікаціях та журналах, відображає в основному лише приватні

аспекти тих або інших досліджень.

Наприклад, в ультразвукових приладах для дослідження фізичних

властивостей матеріалів п’єзокерамічних перетворювачів (ПП) виконують

37

важливі спектрометричні функції. В ультразвуковій дефектоскопії і деяких

медичних діагностичних приладах за допомогою ПП перетворюють сигнали,

які несуть інформацію локаційного характеру. Ультразвукові лінії затримки,

які не є вимірювальними пристроями, але використовуються для обробки

вимірювальної інформації, також використовують ПП у вузько спрямованій

області.

Таким чином, до контрольно-вимірювальних відносяться ПП, що

працюють в системах визначення різних характеристик середовищ за

параметрами звукових і ультразвукових полів, а також перетворювачі, що

використовуються при обробці вимірювальної інформації.

Більшість ультразвукових вимірювальних систем, за винятком

фазометричних та інтерферометрчних, є широкосмуговими, отже, до

перетворювачів цих систем також пред'являються вимоги

широкодіапазонності частотного спектру. Тому найважливішими

характеристиками п’єзокерамічних перетворювачів є передавальні функції

або перехідні характеристики. Цими характеристиками визначаються

широкосмуговість і ефективність електромеханічного перетворення в режимі

випромінювання і, відповідно, чутливість механоелектричного перетворення

в режимі прийому. Оскільки випромінювання перетворювачів ефективне на

частоті резонансу, то перетворювачі в режимі випромінювання

використовують на резонансних або близьких до них частотах.

Коефіцієнт корисної дії не є для контрольно-вимірювальних

перетворювачів такою першорядною характеристикою, як для

випромінювачів, призначених для створення потужних полів. Але це не

зменшує важливості узгодження цих перетворювачів з електричною схемою і

робочим середовищем, оскільки це значною мірою визначає їх чутливість.

Узгодження ж хвильових акустичних опорів п’єзокерамічних перетворювачів

і досліджуваних середовищ має принципове значення при побудові

фазометричних приладів.

38

Аналізу вказаних характеристик п’єзокерамічних перетворювачів

присвячено багато робіт. Але результати більшості з них відомі лише з

наукових статей та журналів, котрі з урахуванням великого практичного

значення, вимагають деякого узагальнення [1, 47].

1.6. Структурна схема перетворювача енергії на основі

п’єзокерамічного перетворювача

У результаті огляду літературих джерел, що відносяться до напряму

проектування ПП [60, 61, 101-103], можна виділити загальну типову

структуру перетворювача енергії на основі п’єзокерамічного перетворювача,

яка представлену на рис. 1.15,

ЗЗ

ППБВДЖ ВБ Н

Рис. 1.15. Загальна типова структурна схема перетворювача на основі

п’єзокерамічного перетворювача: ДЖ - джерело живлення; БВ - блок

введення; ПП - п’єзокерамічний перетворювач; ВБ - вихідний блок;

Н - навантаження; ЗЗ - зворотний зв'язок

У результаті підключення додаткових елементів можна поліпшити

основні характеристики ПП. Отримані результати встановили істотну

перевагу ПП з додатковими електричними елементами над ПП без

додаткових елементів.

Підключення додаткових елементів дозволяє підвищити рівень

вихідної напруги, а також розширити частотну смугу пропускання при

достатньо високій добротності [122].

Отже, з урахуванням вищесказаного загальна типова структура

перетворювача електроенергії на основі п’єзокерамічного перетворювача

зміниться, як показано на рис. 1.16, де ДЕЕ - додаткові електричні елементи.

39

ЗЗ

ППБВ ДЕЕ ВБ НДЖ

Рис. 1.16. Структурна схема перетворювача на основі

п’єзокерамічного перетворювача з додатковими елементами.

ПП з додатковими елементами можуть бути ефективно використані в

малогабаритних вторинних джерелах живлення (ВДЖ) і побудовані по схемі,

представленій на рис. 1.16. Особливістю таких ВДЖ є резонансний характер

роботи, тобто перетворення електричної енергії здійснюватиметься на

частоті резонансу ПП. Стабілізація частоти відбуватиметься за рахунок

зворотного зв'язку і дозволяє в режимі реального часу здійснювати корекцію

частотного параметра для підтримки резонансного режиму роботи ВДЖ

[62-75].

На рис. 1.17 приведена структурна схема застосування ПП у

комп'ютерних системах на прикладі комп'ютерної акустично вимірювальної

системи.

1

2

10

4

3

5

6 7

8

9

11

Рис. 1.17 Загальна структурна схема комп'ютерної акустично

вимірювальної системи: 1 - приймальна антена, побудована на ПП;

2 - передавальна антена, побудована на ПП; 3 - формувач характеристики

направленості сигналу; 4 - підсилювач сигналу; 5 - блок синхронізації; 6 -

блок регулювання сигналу; 7 - блок обробки сигналу; 8 - генератор імпульсів;

9 - ПК; 10 - мікроконтролер; 11 - блок живлення.

40

З рис. 1.17 видно, що вдосконалення вузла 1-2 позитивно вплине на

характеристики всієї системи, що доводить важливу роль покращення

характеристик п'єзокерамічних перетворювачів у комп’ютерних системах.

1.7. Висновки до розділу 1

1. Електроакустичні перетворювачі, що випускаються промисловістю,

мають ряд недоліків: 1. вузький частотний діапазон, мала точність

вимірювання, 2. низька температурна стабільність, 3. недостатньо вузка

діаграму спрямованості, 4. вимагають удосконалення.

2. Для проектування п'єзокерамічних перетворювачів, що

відповідають сучасним вимогам конкурентоспроможності комп'ютерних

систем, важливим етапом є розробка та вдосконалення методів підвищення

рівня звукового тиску, зменшення резонансної та розширення робочої смуги

частот цих перетворювачів

3. Найбільш перспективними є п'єзокерамічні перетворювачі, що

працюють на згинальних коливаннях.

4. Приєднання додаткових елементів до п'єзоелемента збільшує його

вихідний акустичний тиск.

5. Приєднання до п’єзокерамічного перетворювача на вхід додаткової

індуктивності дозволяє збільшити рівень створюваного звукового тиску.

6. Застосування різних умов роботи п'єзокерамічних перетворювачів

дозволяє в широких межах змінювати їх параметри і характеристики.

41

РОЗДІЛ 2

ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З ЧВЕРТЬ-

ХВИЛЬОВИМИ РЕЗОНАТОРАМИ

2.1. Застосування в електроакустичних перетворювачах

чвертьхвильових резонаторів

П’єзокерамічний перетворювач є електромеханічною коливальною

системою з достатньо високою добротністю. Приєднання до такої системи

механічних або електричних елементів призводить до зміни параметрів

перетворювача [1]. Механічні коливальні системи, в яких елементи маси

реалізовані у формі рухомих мас, а елементи гнучкості - у формі замкнутих

повітряних об'ємів, виділяються в особливий клас акустичних коливальних

систем (КС). Дану КС можна розглянути на прикладі простої акустичної

системи з однією мірою свободи, а саме на прикладі акустичного

чвертьхвильового резонатора [95, 82].

Він представляє конструкцію циліндричної форми з відкритою

горловиною. Повітря в горловині є масою, що коливається, а об'єм повітря в

середині грає роль пружного елементу. Основна частина кінетичної енергії

коливань виявляється зосередженою в самому горлі резонатора, де

коливальна швидкість частинок повітря має найбільшу величину.

Основні дослідження даного розділу зосереджені на чвертьхвильовому

резонаторі і його властивостях, який представляє із себе тунель певної довжини

та певної площі перерізу, котрий утворює систему з розподіленими

акустичними параметрами (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Чвертьхвильовий резонатор λ/4

42

Необхідна довжина резонатора розраховується по формулі (2.1)

,4

oCl

F (2.1)

де F - частота, Гц, C0 - швидкість звука в повітрі (340 м/с),

l - довжина резонатора, м.

Для експериментів використовувався перетворювач ЗП-19, на якому

закріплений порожнистий циліндр завдовжки 37 мм, виготовлений з бронзи

завтовшки 0,2 мм.

Конструкція перетворювача з чвертьхвильовим резонатором і його

АЧХ показані на рис. 2.2 [76].

1

4

2

3

а б

Рис. 2.2. ЕАП з чвертьхвильовим резонатором: 1 - п’єзоелемент;

2 - металева пластина; 3 - корпус; 4 - циліндр; а – конструкція; б - АЧХ:

1 - без резонатора; 2 - з резонатором

Як видно з рис. 2.2. б, застосування чвертьхвильового резонатора

дозволило збільшити рівень вихідного звукового тиску на 15-50 дБ і

розширити смугу робочих частот.

Зміни характеристик можна також добитися шляхом збільшення

довжини акустичного резонатора. АЧХ перетворювача з чвертьхвильовим

резонатором показані на рис. 2.3.

43

1

3

2

4

5 6

Рис. 2.3. АЧХ ЕАП з чвертьхвильовим резонатором: 1 - ПЕ без

резонатора; 2 - h = /4 = 37 мм; 3 - h = 2/4 = 74 м; 4 - h = 3/4 = 111 мм;

5 - h = 4/4 = 148 мм; 6 - h = 5/4 = 185 мм

Як видно з рис. 2.3, збільшення довжини акустичного резонатора

дозволяє підвищити рівень звукового тиску і розширити смугу робочих

частот.

Істотний результат можна отримати при симетрії навантаження

перетворювача з обох сторін рис. 2.4. а, що приводить до подальшого

збільшення звукового тиску рис. 2.4. б.

1

2

а б

Рис. 2.4. ЕАП з симетричним резонатором: а - конструкція:

1 - п’єзоелемент; 2 - пустотілий циліндр; б - АЧХ: 1 - без циліндра;

2 - циліндр зверху h = 40 мм ; 3 - циліндр зверху h = 40 мм + циліндр знизу 40

мм

44

Достатній результат можливо отримати і при використанні ЕАП з

конусоподібним (рупорним) чвертьхвильовим резонатором, який складається

з прямої круглої труби, поперечний переріз якої логарифмічно збільшується.

В акустичному резонаторі даного типу швидкість розширення і

стиснення повітря, викликані поширенням звукових хвиль, відбуваються по

адіабатичному закону, тобто відсутня передача тепла. Таким чином, зв'язок

тиску і обсягу описується формулою:

,pV const (2.1)

де р - тиск; V -об'єм; γ - постійна адіабати (для повітря 1,4).

Для проведення експерименту був взятий перетворювач ЗП-19, на

корпус якого був закріплений порожнистий усічений конус завдовжки 37 мм,

виготовлений з бронзи завтовшки 0,2 мм. Конструкція перетворювача з

конусоподібним резонатором і його АЧХ показані на рис. 2.5 [77].

3

2

1

1

2

а б

Рис. 2.5. ЕАП з конусоподібним резонатором: 1 - п’єзоелемент;

2 - металева пластина; 3 - порожнистий зрізаний конус; а - конструкція;

б - АЧХ: 1 - без резонатора; 2 - з резонатором

Як видно з рис. 2.5. б, застосування конусоподібного рупорного

резонатора дозволило збільшити рівень вихідного акустичного тиску на 15-

40 дБ і розширити смугу робочих частот.

45

Також для покращення характеристик ЕАП можна застосовувати

об'ємні Гельмгольца. Одна з можливих конструкцій ЕАП з чвертьхвильовим

резонатором і резонатором Гельмгольца і його АЧХ показані на рис. 2.6. [78].

5

3

2

1

4

2

1

а б

Рис. 2.6. ЕАП з резонатором Гельмгольца і чвертьхвильовим

резонатором: 1 - п’єзоелемент; 2 - металева пластина; 3 - корпус; 4 - отвір;

5 - циліндр; а - конструкція; б - АЧХ: 1 - без резонаторів; 2 - з резонаторами

Як видно з рис. 2.6. б, застосування об'ємних резонаторів дозволило

збільшити рівень звукового тиску на 35-50 дБ і розширити смугу робочих

частот. Отримані результати можуть бути використані при проектуванні

акустичних вимірювальних комплексів. Практично важливою властивістю

резонатора є його властивість до підсилення звуку.

2.2. Комп'ютерне моделювання акустичного резонатора

COMSOL Multiphysics - це програмне середовище для розрахунків і

моделювання наукових та інженерних завдань, заснованих на

диференціальних рівняннях і похідних (PDE) методом кінцевих елементів. З

цим програмним пакетом можна розширювати стандартні моделі, що

використовують одне диференціальне рівняння (прикладний режим) в

мультифізичні моделі для розрахунку зв'язаних між собою фізичних явищ.

46

Це можливо завдяки вбудованим фізичним режимам, де коефіцієнти PDE

задаються у вигляді фізичних властивостей і умов, таких, як

теплопровідність, теплоємність, коефіцієнт тепловіддачі, об'ємна потужність,

залежно від вибраного фізичного розділу. Взаємодія з програмою можлива

стандартним способом - через графічний інтерфейс користувача або

програмуванням за допомогою скриптів на мові COMSOL (Script) або на мові

MATLAB. У даному випадку для роботи з програмою використовувався

тільки графічний інтерфейс.

На рис. 2.7 представлена мультифізична модель розробленого

п’єзокерамічного перетворювача в програмі FemLab 3.5 (COMSOL

Multiphysics), яка наглядно демонструє розподілення акустичного тиску в

чвертьхвильовиму резонаторі. Розміри моделей рис 2.7. а, б відповідають

реальним розмірам розроблених перетворювачів, що показані на рис 2.2. а і

2.5. а.

Рис.2.7. Комп'ютерне моделювання в програмі COMSOL Multiphysics,

при збудженні в резонаторі акустичних хвиль

З рис. 2.7 видно, що акустична енергія, яка створюється п’єзоелементом

під час проходження через чвертьхвильовий резонатор, створює

максимальну концентрацію випромінювання в його верхній частині, тим

самим характеризуючи його властивість до підсилення акустичної тиску.

На рис. 2.8 представлено графік залежності зміни розподілення

акустичного тиску в чвертьхвильовому резонаторі.

47

Рис. 2.8. Графік залежності зміни розподілення акустичного тиску у

чвертьхвильовому резонаторі

2.3. ЕАП з чвертьхвильовим резонатором і фазоінвертором

Ідея даного методу полягає в тому, що коливання повітря у

відкритому отворі резонатора виникають з верхнього і нижнього боку

п’єзоелемента, а також завдяки зв'язку через повітряний об'єм, то для

досягнення синфазності потрібно повернути фазу випромінювання на 180°.

Для експериментів використовувався електроакустичний

перетворювач ЗП-19 виробництва АТ «Аврора» (Волгоград).

Біморфний елемент цього перетворювача виготовлений із сталі 40Х

діаметром 23 і завтовшки 0,2 мм, закріплений у циліндр довжиною 40 мм,

виготовлений з бронзи завтовшки 0,2 мм (рис. 2.9) [79].

48

Рис. 2.9. Об'ємний повітряний резонатор з одним відгалуженням у

вигляді кругового сегменту: 1 - п’єзоелемент; 2 - об'ємний резонатор

На вхід п’єзокерамічного перетворювача подавався синусоїдальний

сигнал амплітудою 1В від генератора електричних коливань Г3-109. На

виході вимірювалася його амплітудно-частотна характеристика по звуковому

тиску за допомогою шумоміра фірми RFT. Мікрофон розташовувався на

відстані 10 мм. від акустичного перетворювача.

АЧХ вимірювалася для наступних випадків:

а) АЧХ ЗП-19 (без задньої стінки);

б) АЧХ ЗП-19 з акустичним резонатором.

Результати вимірювань показані на рис. 2.10.

а б

Рис. 2.10. АЧХ п’єзокерамічного перетворювача по звуковому тиску:

а - АЧХ ЗП-19 (без задньої стінки); б - АЧХ об'ємного резонатора з одним

відгалуженням у вигляді кругового сегменту

49

Як видно з рис. 2.10, підключення акустичного резонатора дозволило

збільшити рівень звукового тиску на 13 дБ і розширити смугу робочих

частот.

Об'ємний повітряний резонатор розрахований таким чином, що

коливання повітря в отворах, що порушуються коливаннями п’єзоелемента,

створюють у навколишньому середовищі коливання, синфазні з тими, які

одночасно створюються перед металевою пластиною. Тому для покращення

вже існуючих характеристик використовувався об'ємний повітряний

резонатор з двома відгалуженнями, який показано на рис. 2.11 [80].

Рис. 2.11. Об'ємний повітряний резонатор з двома відгалуженнями у

вигляді кругового сегменту: 1 - п’єзоелемент; 2 - об'ємний резонатор

Результати вимірювань АЧХ показані на рис. 2.12.

Рис. 2.12. АЧХ п’єзокерамічного перетворювача по звуковому тиску з

двома відгалуженнями у вигляді кругового сегменту

50

Акустична система з фазоінвертором у цілому складається з двох

резонансних систем - рухомої системи п’єзоелемента і відвідним отвором -

нерухомого резонатора. Для цього випадку вимірювання проводилось для

ЕАП з резонатором у вигляді еліптичного тора. Дві чверті еліптичного тора

були виготовлені з латуні Л63Т зовнішнім діаметром 40 мм. Порожнистий

еліптичний циліндр був виготовлений з латуні Л63Т заввишки 40 мм і

товщиною стінки 0,2 мм [81]. Конструкція перетворювача показана на рис.

2.13.

4

56

2

3

1

1

2

а б

Рис. 2.13. ЕАП з фазоінвертором у вигляді еліптичного тора:

1 - два біморфних п’єзоелемента спаяних між собою; 2 - п’єзоелемент;

3 - металева пластина; 4 - чверті еліптичного тора; 5 - еліптичний циліндр;

6 - основа; а - конструкція; б - АЧХ: 1 - з резонатором; 2 - без резонатора

Як видно з рис. 2.13, застосування резонатора з фазоінвертором

дозволило збільшити рівень звукового тиску на 28 дБ і розширити смугу

робочих частот.

Умови інверсії фази найпростіше з'ясувати шляхом розгляду схеми

електричного аналога системи. На рис. 2.14 представлена система, що

складається з п’єзоелемента і акустичного резонатора; нижче дана схема

електричного аналога рис. 2.15, параметри якої зображають акустичні

параметри системи [82].

51

Рис. 2.14. Конструкція акустичного перетворювача з фазоінвертором:

1 - п’єзоелемент; 2 - акустичний резонатор

V1R1 C1

C2

14 n

L1 R2 R3

L4C4

5.5nL3R4

K1 Uвих

L2

C3L5

0.3

Рис. 2.15. Еквівалентна схема перетворювача

Результати вимірювань АЧХ акустичного перетворювача з

фазоінвертором показані на рис. 2.16.

1K 10K0

60

70

80

90

dB

F (Hz)2K 3K 4K 5K 6K 7K 8K 9K

а б

Рис. 2.16. АЧХ: а - акустичного перетворювача з фазоінвертором;

б - еквівалентної схеми

Досліджуємо далі схему п’єзоперетворювача з фазоінвертором при

традиційному підключенні п’єзоелемента з погляду теорії автоматичного

управління рис. 2.17 [83, 47].

52

Рис. 2.17. Структурна схема перетворювача з фазоінвертором

Тут ланка з коефіцієнтом передачі W1 відповідає перетворенню сили

F, що діє на п’єзоелемент, в механічну напругу ; де Fm - діюча сила, m -

маса п’єзоелемента, Δ - коефіцієнт згасання системи, Fp - частота власного

резонансу, f - частота [47, 53]. Тоді:

22)2(2)2(21fmfFpm

FmW

. (2.1)

Ланка W2 відповідає перетворенню механічної напруги в заряд q на

електродах п’єзоелемента. Оскільки q = dijS, то

W2 = q/ = dijS, (2.2)

де dij - п’єзомодуль.

Ланка W3(р) - перетворенню заряду q в струм Iq, який створює

п’єзоелемент:

dt

dqqI . (2.3)

Тоді, з урахуванням переходу в простір Лапласа, отримаємо:

pq

qIpW )(

3, (2.4)

де р - оператор Лапласа.

Ланка W4(р) відповідає перетворенню сумарного струму у вхідну

напругу, що поступає на вхід підсилювача UВХ:

dtIС

UqВХ

1, (2.5)

де С = СПЕ + СК + СВХ, СПЕ - ємність п’єзоелемента, СК - ємність

сполучного кабелю і відповідних з'єднувачів, СВХ - ємність вхідного ланцюга.

53

Передавальна функція ланки W4(p) має вид:

pCqI

ВХU

pW

1

)(4

. (2.6)

Ланка W5 відповідає процесу підсиленню сигналу в резонаторі:

УЗKW

5. (2.7)

Ланка W6(р) відповідає умові інверсії фази:

01

2

c a

Vmc

, (2.8)

де (0

0

0

Pс - власна кругова частота резонатора).

Переходячи від кутової частоти 0 до 0f , отримаємо вид:

30 06 0( ) 8,5 10 .

2 4

c a aW p f

V V

(2.9)

Ланка з коефіцієнтом передачі W7 відповідає перетворенню сили F,

що діє на п’єзоелемент, в механічну напругу :

27R

BEhyW , (2.10)

де h - товщина пластини біморфного п’єзоелемента, E - модуль

пружності матеріалу пластини, y - переміщення центру пластини залежне від

дії сили 1ln244

)12(24

1

kkk

kkB

;

r

Rk R, r - радіус пластини біморфного

п’єзоелемента, µ - коефіцієнт Пуассона.

Ланка W8 відповідає перетворенню механічної напруги в деформацію

біморфного п’єзоелемента:

EW

8. (2.11)

Передавальна функція всієї системи набере вигляду:

1 2 3 4 5 2 3 4 5 8

4 5 6

2 ( ( ) ( ) ( ) ( )( ) .

1 ( ) ( )

W W W p W p W W W p W p W WW p

W p W W p

(2.12)

54

Залежність вихідної напруги від частоти розрахована з використанням

формули (2.14), показана на рис. 2.18 в пакеті Mathcad 11.

0 800 1.6 103

× 2.4 103

× 3.2 103

×

0

60

70

80

Рзв, дБ

f, Hz

Рис. 2.18. Характеристика математичної моделі акустичного

перетворювача з фазоінвертором

2.3.1. Вибір необхідного об’єму в повітряному резонаторі

У пункті 2.1 порушувалося питання впливу чвертьхвильового

резонатора на рівень звукового тиску п’єзокерамічного електроакустичного

перетворювача.

З цього приводу було проведено низку експериментів з різним

співвідношенням довжин та об’єму резонатора перетворювача, отримані дані

представлені у вигляді графіку залежності звукового (акустичного) тиску від

довжини L (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Графік залежності звукового тиску від довжини об’ємного

резонатора

55

Як видно з рис. 2.19, оптимальним відношенням довжини резонатора

перетворювача для отримання максимального рівня звукового тиску є

.4030 ммL і тим самим підтверджує експериментальні дані, що довжина

об’ємного резонатора обернено пропорційна його власній резонансній

частоті, в даному випадку λ/4.

2.4. Метод додаткового коливального контура

Цей метод є різновидом методу додаткових елементів.

Як відомо, пьезоэлемент є електромеханічною коливальною

системою, еквівалентна електрична схема якої зображена на рис. 2.20

[84, 52].

Сд

R

CЕл

Lд

Рис. 2.20. Еквівалентна електрична схема п’єзоелемента

На цій схемі Сел - ємність між електродами пьезоэлемента, Lд, Cд, R -

динамічні індуктивність, ємність і активні втрати в п’єзоелементі.

Якщо додати до входу п’єзоелемента індуктивність [53] (рис. 2.21), то

ця індуктивність і ємкість між електродами утворюють послідовний

коливальний контур Lдод,Сел, резонансну частоту якого можна визначити по

відомій формулі [85].

1.

2дод

доб ел

fL С

(2.13)

Сд R

Cел

Lд

~

Lдод

Рис.2.21. Еквівалентна схема п’єзоелемента з додатковою

індуктивністю

56

Резонансна частота власне п’єзоелемента

1

2ПЕ

д д

fL С

. (2.14)

Крім того, виникає резонанс на частоті

1

2 дод д д

fL L С

. (2.15)

У залежності від величин Сел і Lдоб можливі три випадки:

дод ПЕf f ,

дод ПЕf f , (2.16)

.дод ПЕf f

У даному розділі розглянемо останній випадок, тобто випадок, коли

дод ПЕf f .

Експериментальна перевірка виконується за допомогою

електроакустичного перетворювача ЗП-19 виробництва ВАТ «Аврора»

(Волгоград). Перетворювач складається з біморфного п’єзоелемента

(пластина із сталі 40Х діаметром 32 мм і завтовшки 0,15 мм і п’єзоелемента

діаметром 23 мм і завтовшки 0,2 мм з п’єзокераміки ЦТС-19), закріпленого

по створюючій у корпусі з полістиролу. На рис. 2.22 показана амплітудно-

частотна характеристика (АЧХ) цього перетворювача.

Як видно з рис. 2.21. а, основна резонансна частота згинальних

коливань дорівнює 2,5 кГц.

Вимірювання проводилися в п’єзотрансформаторному режимі на

резонансній частоті. Звуковий тиск вимірювався за допомогою шумоміра

фірми RFT.

Для проведення експериментів були виготовлені котушки

індуктивності (Lдод) 0,24, 1,0 и 2,4 Гн.

Ці індуктивності з ємністю Сел (17 нФ) утворюють резонансні частоти

2,5, 1,22 и 0,8 кГц (рис. 2.21).

57

Вимірювалися АЧХ перетворювача при підключенні кожної з

індуктивностей (рис. 2.22. б, в, г).

0

400

100

200

300

U, мВ

0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 f , кГц 0

2000

500

1000

1500

U, мВ

0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 f , кГц а б

0

2000

500

1000

1500

U, мВ

0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 f , кГц

0

2000

500

1000

1500

U, мВ

0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 f , кГц в г

Рис. 2.22. АЧХ перетворювача ЗП-19 АЧХ перетворювача ЗП-19 при

додаванні індуктивності (рис. 2.18): а - Lдод = 0; б - Lдод = 0,24 Гн;

в - Lдод = 1,0 Гн; г - Lдоб = 2,4 Гн

Одночасно на вказаних частотах було зміряно власний (активний)

опір втрат r0 (табл. 2.1) [86]. З табл. 2.1 видно, що з пониженням частоти

величина втрат у п’єзоелементі збільшується.

Таблиця 2.1 Власний (активний) опір втрат п’єзоелемента

Частота, кГц 0,8 1,2 2,5

r0, кОм 9,3 5,9 3,9

Звуковий тиск, дБ 80 93 97

З рис. 2.22 видно, що, використовуючи додаткові коливальні контури,

що створюються за допомогою додаткової індуктивності і міжелектродної

ємності п’єзоелемента, існує можливість створення акустичних

низькочастотних коливань.

Pзв=80дБ

Pзв=97дБ

Pзв=93дБ

Pзв=76дБ

58

Якщо до п’єзоелемента, який є електромеханічним коливальним

контуром, приєднати другий контур, така система, як відомо, є так званим

зв'язаним коливальним контуром [60, 88].

Розглянемо випадок, коли приєднаний до п’єзоелементу контур, має

такі ж параметри, що і п’єзоелемент, тобто добротність і резонансні частоти

цих контурів рівні [88]:

ppp 21 , ( 2.17)

QQQ 21 , (2.18)

21 , (2.18)

де r

x , х - реактивний опір; r - активний опір контура.

Для цього випадку залежність відносного струму max1212 / II від

відносної розстройки і різних значень чинника зв'язків контура А має

вигляд [88]:

2222max12

12

4)1(

2

A

A

I

I . (2.20)

Сімейство резонансних кривих, зв'язаних контурів, показано на рис.

2.23 [88].

0 31 2-3 -1-2

max1212 / II

0,2

0,4

0,6

0,8

А=0,25 А=0,5

1

А=1

А=2

Рис. 2.23. Сімейство резонансних кривих двох зв'язаних контурів

59

Схеми перетворювачів на зв'язаних контурах приведена на рис. 2.24

[89-93]. При реалізації схем, зображених на рис. 2.24. в, г, можливі декілька

варіантів. Перш за все електроди на п’єзоелементі можна розділити на

частини з однаковою площею або різною (тобто з однаковою ємкістю або

різною). Відповідно індуктивності L1 і L2 можуть дорівнювати один одному

або ні.

Нарешті, можна підібрати індуктивності L1 і L2 і ємності Сел1 і Сел2

так, щоб резонансні частоти контурів були рівні або відрізнялися один від

одного.

L

Ген

ПЕ

L

ГенПЕ

а б

L1

Ген

L2

Сел1 Сел2

ПЕ

ПЭ

L1

Ген Сэл1 Сэл2

L2

в г

L1

Ген

L2

Сел1 Сел2 Сел3

L3

ПЕ

L1

Ген Сел1 Сел2

L2

3L

Сел3

ПЕ

д е

Рис. 2.24. Схеми перетворювачів на основі зв'язаних контурів

60

Схеми з трьома індуктивними контурами (рис. 2.24. д, е) дозволяють

отримати ширшу смугу пропускання перетворювача.

Зрозуміло, приведені схеми не вичерпують всі можливі варіанти схем

для розширення смуги пропускання. Наприклад, як коливальні контури

можуть використовуватися два або три п’єзоелемента і відповідні їм

індуктивності.

Для отримання необхідної АЧХ у перетворювач з двома системами

електродів (рис. 2.24. в) паралельно вхідним і вихідним електродам можуть

підключатися конденсатори з ємністю 0,1-0,2 від ємкості між цими

електродами [92]. Результати вимірювання АЧХ в п’єзотрансформаторному

режимі показані на рис. 2.25.

2 2.2 2.4 2.6 2.8 f, кГц

0.2

0.4

0.6

U, В

0.0420.058

0.72

0,707 Umax

2,5

1

2,5

7

а

2 2.2 2.4 2.6 2.8 f, кГц

0.5

1

1.5

2

U, В

2,3

3

0,707 Umax

2,32 2,45

0,14 0,11

б

61

2 2.2 2.4 2.6 2.8

1

2

3

0,707 Umax

2,2

5

2,7

U, В

f , кГц

3 3

0,30,23

в

Рис. 2.25. АЧХ перетворювача: а - перетворювача ЗП-19; б - з одним

контуром; в - з двома контурами

Також були проведені вимірювання для схем із трансформаторною

розв’язкою, яка дозволяє створити в п’єзоелементі бігучу хвилю, що потрібна

для збудження згинальних коливань. Для створення деформацій вигину тут

використовується поперечний п’єзомодуль d31 п’єзокераміки, який утворює

більший вигин п’єзоелемента при меншій резонансній частоті. Для

дослідження був взятий п’єзокерамічний перетворювач Ø 66 мм, на якому

методом хімічного витравлювання створили додаткові електроди 1-4.

Конструкція перетворювача представлена на рис 2.26, результати

вимірювань приведені в табл. 2.2 [93]. На рис. 2.27 приведені результати

моделювання в COMSOL Multiphysics.

1 2 3 4

Рис. 2.26. П’єзокерамічний перетворювач з додатковими електродами

62

Таблиця 2.2. Схеми підключення п’єзокерамічного перетворювача із

трансформаторною розв’язкою

№ Схема

C, нФ L, Гн Pзв, дБ

1 1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

C2-4’ = 0,5

C1’,4-4’ = 1,7

LI = 0,25

LII = 1,5 108

2 1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

C2-1 = 0,85

C1’,4-1= 1,7

LI = 0,24

LII = 1,5 108

3

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

C2-1 = 0,85

C1’,4,4’-1= 1,8

LI = 0,12

LII = 1,15 112

4

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

C1’-2’,2,3 = 1

C3’,4’-2’,2,3 = 2,1

LI = 0,18

LII = 0,82 109

5

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

C1’-2’,2,3 = 1

C3’,4’-2’,2,3,4= 2,2

LI = 0,12

LII = 0,51 108

Як видно з табл. 2.2, застосування трансформаторної розв'язки

дозволяє створити в п’єзоелементі згинальні коливання, які приводять до

збільшення звукового тиску.

63

а б

в

Рис. 2.27. П’єзокерамічна пластина: а - загальний вигляд;

б - вигляд збоку; в - вигляд зверху

Як видно з рис. 2.27, зміна зосередженої енергії в центрі аналогічна

зміні кінетичної енергії, яка розповсюджується вздовж дослідного зразка. Це

значить, що максимуми кінетичної та потенціальної енергії припадають на

одні й ті ж точки простору.

Розміри моделі відповідають реальним розмірам розробленої

конструкції акустичного перетворювача, представленої на рис. 2.23. Цей

перетворювач складається з п’єзоелемента Ø 66 мм. марки ЦТС-19 з

внутрішніми діаметрами кілець: 1 - Ø 10 мм, 2 - Ø 20 мм, 3 - Ø30 мм,

4 - Ø 40 мм.

64

З отриманих даних можна зробити висновок, що збудження в

п’єзоелементі бігучої хвилі істотно покращує показники електроакустичних

перетворювачів. Це, в свою чергу, дозволяє розширити методи проектування

п’єзокерамічних перетворювачів, які працюють на даному принципі

збудження акустичних хвиль. Максимальний вигин цієї конструкції складає

300 мкм, що в 4 рази більше, ніж у звичайного перетворювача зі стандартним

підключенням.

2.5. Висновки до розділу 2

1. Для розширення смуги пропускання на 2 кГц і збільшення

акустичної потужності запропоновано понизити добротність перетворювача

шляхом включення до п’єзоелемента додаткових електромеханічних

контурів, зокрема чвертьхвильових резонаторів, котрі збільшують на 20-40

дБ рівень звукового тиску.

2. Досліджено вплив фазоінвертора на характеристики

електроакустичного перетворювача.

3. Побудована математична модель п’єзокерамічного перетворювача з

фазоінвертором.

4. Досліджений метод створення низькочастотних акустичних

коливань за допомогою додаткового коливального контура.

5. Уперше розроблені конструкції і схеми збудження перетворювачів -

випромінювачів у вигляді мономорфних дискових п'єзоелементів, що

дозволило створювати в 4 рази більші згинальні коливання, тим самим

збільшуючи акустичну потужність.

6. Уперше була побудована комп'ютерна модель п’єзокерамічного

перетворювача для візуалізації згинальних коливань.

Основні наукові результати розділу опубліковані в роботах [82, 98,

146, 100, 104-106, 110, 111].

65

РОЗДІЛ 3

ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З ОБ'ЄМНИМИ

РЕЗОНАТОРАМИ

3.1. Метод підвищення акустичної потужності за допомогою

об'ємнного резонатора

Для роботи в повітряному середовищі в електроакустичних

перетворювачах широко використовуються акустичні коливальні системи

[94].

Прикладом такої системи є резонатор Гельмгольца (рис. 3.1). Він

представляє собою конструкцію сферичної форми з відкритою горловиною.

Повітря в горловині є масою, що коливається, а об'єм повітря грає роль

пружного елементу. Основна частина кінетичної енергії коливань

зосереджена в горловині резонатора, де коливальна швидкість частинок

повітря має найбільшу величину.

Можна сказати, що об’ємний резонатор є системою з розподіленими

параметрами. Проте, якщо розміри резонатора малі в порівнянні з довжиною

хвилі коливань, що діють на резонатор, то практично можна розглядати таку

систему, як систему із зосередженими параметрами. Власна частота такого

резонатора рівна:

VL

Scfr

20 , (3.1)

де fr - частота, Гц;

c0 - швидкість звука в повітрі (340 м/с);

S - перетин отвору, м2;

L - довжина отвору, м;

V - об'єм резонатора, м3.

66

V

L

S

Рис. 3.1. Резонатор Гельмгольца

Наприклад, для конструкції резонатора об'ємом 1л з горловиною

завдовжки 1см і перетином 1см2 частота резонансу складе приблизно 170 Гц.

Слід зазначити, що довжина хвилі для цієї частоти складає близько 2 м, що

значно більше характерних розмірів резонатора. Отже, не може бути і мови

про стоячу акустичну хвилю в самому резонаторі. Дійсно, в порожнині

можна порушити тільки хвилі, довжина яких менше характерного розміру

резонатора:

3 .V (3.2)

Для даного прикладу це частоти вище 3 кГц.

Як другий контур для розширення смуги пропускання (а також

підвищення рівня звукового тиску) можна застосувати об'ємні резонатори.

Для експериментів був розроблений перетворювач, який складається з

біморфного п’єзоелемента 1, багато разів описаного перетворювача ЗП - 19,

(рис. 3.2. а, б). Об'ємний резонатор Ø30 мм виготовлений з бронзи завтовшки

0,2 мм. Довжина резонатора - 30мм (рис. 3.2. в).

У середині резонатора присутня перетинка 4 з отворами Ø4 мм,

положенням якої можна змінювати об'єм резонатора (рис. 3.2. г).

67

а

б

в

г

Рис. 3.2. Перетворювач ЗП-19: 1 - п’єзоелемент; 2 - металева пластина;

3 - циліндр; 4 - перетинка; а - вигляд з боку п’єзоелемента; б - вигляд ззаду

(задня стінка видалена); в - ЗП-19 з акустичним резонатором; г - конструкція

перетворювача

Перетворювач підключався до генератора електричних коливань

Г3-106 і вимірювалася його АЧХ по звуковому тиску за допомогою

шумоміра фірми RFT. Мікрофон розташовувався на відстані 3 см від

перетворювача ЗП-19.

АЧХ вимірювалася для наступних випадків: АЧХ ЗП-19 без задньої

стінки, АЧХ з відкритим акустичним резонатором, АЧХ з акустичним

резонатором об'ємом 8 см3, АЧХ з акустичним резонатором 16 см

3.

Результати вимірювань показані на рис. 3.3.

68

Рис. 3.3. АЧХ перетворювача: 1 - АЧХ ЗП-19 без задньої стінки (рис.

3.2, б); 2 - АЧХ з відкритим акустичним резонатором (рис. 3.2. в); 3 - АЧХ з

акустичним резонатором об'ємом 8 см3; 4 - АЧХ з акустичним резонатором

16 см3

Як видно з рис. 3.3, підключення акустичного резонатора дозволило

збільшити рівень звукового тиску на 20-30 дБ і розширити смугу робочих

частот [95, 96].

Подальші дослідження показали те, що біморфний елемент у

перетворювачі, зображеному на рис. 3.4, навантажений не симетрично - з

одного боку це резонатор Гельмгольца, а з іншої - об'єм середовища, в якому

встановлений перетворювач.

Для симетрії в конструкцію перетворювача запропоновано ввести за

допомогою кришки 6 додатковий замкнутий об'єм з боку, протилежного

резонатору Гельмгольца рис. 3.4.

Рис. 3.4. Перетворювач з симетричним навантаженням: 1 - БПЕ;

2 - металева пластина; 3 - п’єзоелемент; 4 - корпус; 5 - отвір; 6 - кришка

69

На рис. 3.5 показані АЧХ перетворювача з симетричним

навантаженням (крива 1) і перетворювача з несиметричним навантаженням

(крива 2).

1

2

Рис. 3.5. АЧХ перетворювача з несиметричним навантаженням

(крива 1) і симетричним навантаженням (крива 2)

Як видно з рис. 3.5, симетрування навантаження перетворювача

дозволяє збільшити рівень звукового тиску.

Для збільшення рівня звукового тиску запропоновано також ввести в

конструкцію перетворювача ще один резонатор, тобто ще одну коливальну

систему (рис. 3.6) [97].

Рис. 3.6. Перетворювач з бінарним резонатором Гельмгольца:

1 - БПЕ; 2 - металева пластина; 3 - п’єзоелемент; 4 - корпус з отвором 5; 6 -

кришка з отвором 7

70

Коливальна система з двох резонаторів Гельмгольца названа бінарним

резонатором Гельмгольца на відміну від резонатора Гельмгольца з одним

об'ємом, але двома отворами, який названий подвійним [98, 99].

Застосування бінарного резонатора дозволило збільшити рівень звукового

тиску на 15 дБ. (рис. 3.7).

1

2

Рис. 3.7. АЧХ перетворювача з бінарним резонатором Гельмгольца

(крива 1) і одним резонатором (крива 2)

Симетрування навантаження перетворювача з бінарним резонатором

Гельмгольца (рис. 3.8. а) приводить до подальшого збільшення звукового

тиску (рис. 3.8. б) [98].

а

71

2

1

б

Рис. 3.8. Конструкція перетворювача: 1 - БПЕ; 2 - металева пластина;

3 - п’єзоелемент; 4 - корпус з отвором 5; 6 - кришка з отвором 7; 8 - кришка;

а - з бінарним резонатором Гельмгольца і симетричним; б – АЧХ; крива 1 -

перетворювач з бінарним резонатором Гельмгольца і несиметричним

навантаженням; крива 2 - перетворювач з бінарним резонатором Гельмгольца

і симетричним навантаженням.

Далі, на вході перетворювача, за допомогою додаткової індуктивності

145 мГн і міжелектродній ємності п’єзоелемента створювався коливальний

контур з резонансною частотою 2,5 кГц (рис. 3.9).

Результати вимірювань АЧХ показані на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Електроакустичний п’єзокерамічний перетворювач на основі

ЗП-19, з додатковою індуктивністю: 1 - п’єзоелемент; 2 - металева пластина

Введення індуктивності дозволило підвищити вихідну звукову

потужність і розширити смугу частот електроакустичного перетворювача

(рис. 3.10).

72

Рис. 3.10. АЧХ перетворювача при вхідній напрузі 1В, L=145 мГн:

крива 1 - АЧХ ЗП-19 без задньої стінки (рис. 3.2. б); крива 2 - АЧХ з

відкритим акустичним резонатором (рис. 3.2. в); крива 3 - АЧХ з акустичним

резонатором об'ємом 8 см3; крива 4 - АЧХ з акустичним резонатором 16 см

3

Результати вимірювань АЧХ при Lдод=200мГн (fр=2кГц) показані на

рис. 3.11.

Рис. 3.11. АЧХ перетворювача при вхідній напрузі 1В, L=200 мГн:

крива 1 - АЧХ ЗП-19 без задньої стінки (рис. 3.11. б); крива 2 - АЧХ з

відкритим акустичним резонатором (рис. 3.11. в); крива 3 - АЧХ з

акустичним резонатором об'ємом 8 см3; крива 4 - АЧХ з акустичним

резонатором з об'ємом 16см3

Як і у попередньому випадку, рівень звукового тиску і ширина смуги

частот суттєво зросли [95, 100].

73

3.2. Електроакустичний перетворювач з циліндричним

п’єзоелементом

Кільцевий електроакустичний перетворювач (КЕАП) є

електромеханічною коливальною системою.

Електроди наносяться на внутрішню і зовнішні бічні поверхні

циліндричного п’єзоелемента, а він сам поляризується у напрямі радіусу

(рис. 3.12).

r +Р

и

с

.

1 +

–

– Рис. 3.12. Кільцевий електроакустичний перетворювач

При радіальних коливаннях КЕАП осьова лінія залишається колом з

радіусом, що періодично змінюється. Циклічна частота власних коливань

(резонансна) складає [101-103]:

2 1

0 / ,E r c (3.3)

де r- радіус осьової лінії кільця м.; ρ- щільність матеріалу.

Уточнена з урахуванням конструктивних характеристик формула для

обчислення резонансної частоти КЕАП має вигляд:

12

,r

V tF

D d

(3.4)

де 1V - швидкість звуку в ПЕ, м/с; t - поправка, що вводиться залежно

від співвідношення d/D; D і d - зовнішній і внутрішній діаметри м.;

ε - відносна діелектрична проникність.

74

Зниження робочої (резонансної) частоти і підвищення рівня звукового

тиску дозволяє збільшити дальність дії перетворювачів. Розширення смуги

пропускання перетворювачів дозволяє поліпшити параметри підводного

зв'язку.

Для досягнення поставленої мети запропоновано приєднувати до

кільцевого п’єзоелемента додаткові коливальні системи: механічні і

електричні [107].

Для оцінки властивостей КЕАП використовують амплітудно-частотну

характеристику (АЧХ), як одну з найбільш інформативних характеристик

коливальних систем.

Для експериментів використовувався кільцевий ПЕ з п’єзокераміки

ЦТБС-3 зовнішнім діаметром 116 мм, внутрішнім - 100 мм і заввишки 40 мм

рис.3.13.

Рис. 3.13. Кільцевий п’єзоелемент

На вхід електроакустичного перетворювача подавався синусоїдальний

сигнал амплітудою 1В від генератора електричних коливань Г3-106. АЧХ

кільцевого електроакустичного перетворювача по звуковому тиску

вимірювалася за допомогою шумоміра фірми RFT 00024 (рис 3.14).

Мікрофон розташовувався на відстані 10 мм. від перетворювача.

75

Рис. 3.14. АЧХ кільцевого ПЕ по звуковому тиску

Як видно з рис. 3.14, на резонансній частоті перетворювача (10 кГц),

рівень звукового тиску складає 103 дБ.

Для збільшення рівня звукового тиску до торця КЕАП потрібно

розмістити металевий диск (рис. 3.15).

1

2

Рис. 3.15. КЕАП з металевим диском: 1 - кільцевий ПЕ; 2 - металевий

диск

Результати вимірювань АЧХ показані на рис. 3.16.

2

1

Рис. 3.16 АЧХ КЕАП (крива 1) і КЕАП з металевим диском (крива 2)

76

Як видно з рис. 3.16, закріплення металевого диска до торця КЕАП

дозволило понизити резонансну частоту і розширити смугу робочих частот.

Далі, до вже наявної конструкції (рис. 3.15), був закріплений ще один

металевий диск з отвором. (рис. 3.17.)

Кільцевий ПЕ 1, металевий диск 2 і металевий диск 3 з отвором 4

створюють об'ємний резонатор з внутрішнім об'ємом циліндричної форми

[106].

4 3

2

1

Рис. 3.17. КЕАП з металевими дисками: 1 - кільцевий ПЕ;

2 - металевий диск (низ); 3 - металевий диск (верх); 4 - отвір

На рис. 3.18 показана АЧХ цього перетворювача.

2

1

Рис. 3.18. АЧХ КЕАП (крива 1) і з об'ємним резонатором (крива 2)

77

Як видно з рис. 3.18, створення об'ємного резонатора дозволило

збільшити рівень вихідного звукового тиску на частоті 4,5 кГц на 35 дБ, а на

частоті 10 кГц - на 17 дБ.

Запропоновано помістити кільцевий ПЕ в порожнистий металевий

циліндр з двома кришками, які закріплені на торцях циліндра, причому

верхня кришка має отвір. Цей перетворювач, також, є об'ємним резонатором

(рис. 3.19) [104, 105].

2

1

3

4 5

Рис. 3.19. КЕАП з порожнистим циліндром: 1 - кільцевий ПЕ; 2 -

порожнистий металевий циліндр; 3, 4 - металеві кришки; 5 - отвір

На рис. 3.19 показані АЧХ КЕАП (крива 1), з порожнистим металевим

циліндром на зовнішній поверхні ПЕ (крива 2).

Цей перетворювач є двоконтурною коливальною системою, що

складається з електромеханічної коливальної системи (ПЕ) і акустичної

(механічної) коливальної системи.

2

1

Рис. 3.20. АЧХ КЕАП (крива 1) і з порожнистим металевим циліндром

на зовнішній поверхні (крива 2)

78

Для розширення смуги робочих частот було введено додатковий

електричний коливальний контур за допомогою індуктивності Lдоб.

Результати вимірювань АЧХ кільцевого електроакустичного

перетворювача з порожнистим металевим циліндром і додатковою

індуктивністю показані на рис. 3.21.

2 1

Рис. 3.21. АЧХ КЕАП з порожнистим металевим циліндром (крива 1) і

з додатковою індуктивністю (крива 2), Lдод=58 мГн.

Як видно з рис. 3.21, використання додаткового коливального контура

дозволило підвищити рівень звукового тиску на 28 дБ, а також розширити

смугу частот перетворювача [107, 108, 109-116].

3.3. Розрахунок передавальної характеристики

електроакустичного перетворювача

Як було описано вище, п’єзокерамічні перетворювачі можна описати

за допомогою методів теорії електропружності [117]. У загальному випадку

п’єзокерамічний елемент описується системою з двадцяти двох

диференціальних рівнянь. Точне рішення такої задачі, як відомо, в

загальному вигляді практично неможливо і доступно тільки для окремих

випадків.

79

Передавальні функції електроакустичних перетворювачів набагато

простіше описувати, розглядаючи кожен шар перетворювача як

чотириполюсник. У літературі [118] можна знайти розрахунок передавальної

функції механічно демпфованого п’єзокерамічного випромінювача з

довільним числом перехідних шарів та з урахуванням електричного ланцюга

включення генератора.

Схема перетворювача в даному випадку показана на рис. 3.22 [118, 119,

120]. Тут 1 - п'єзоелемент, 2 - шар клею на металевій пластині, які можна

розглядати як перехідні шари. Шари випромінювача мають відповідно товщину

l1, l2 і l3, причому l2 << l1 і l2 << l3. Робоче середовище даного перетворювача -

повітря.

Рис. 3.22. Асиметричний біморфний п'єзовипромінювач з

електричними ланцюгами включення: 1 - п'єзопластина; 2 - шар клею;

3 - металева пластина; Z1Г, Z2Г - електричні опори підключення

п'єзовипромінювача до генератора; ЕГ - ЕРС генератора

Приймаємо, що ЕГ - електрорушійна сила генератора; I - струм, що

протікає через генератор; р, v, F - тиск, швидкість і сила. Третій перехідний

шар (металева пластина) - робоче середовище; z1, zВ - відповідно хвильові

акустичні опори п'єзоелемента і робочого середовища; z2, z3 - хвильові

акустичні опори клейового шару і металевої пластини; e - п'єзоелектрична

постійна п'єзоелемента.

1 3 2

Z1

Г

ЕГ

Z2Г

80

Постійна розповсюдження в кожному перехідному шарі - γn, активна

випромінююча поверхня п’єзокерамічного перетворювача - А1. Перший

перехідний шар (клей) має індекс n = 2. Представляючи кожен елемент

п'єзоперетворювача чотириполюсником, матричне рівняння системи можна

записати таким чином [118]:

2221

1211

2

1

11

01

10

1

AA

AA

E

E

I

E

Г

ГГ

v

F

SS

SS

mm

mm

)(

22)(

21

)(12

)(11

, (3.5)

де - )(m

ijS (i, j = 1, 2) - матриця структури з декількома перехідними

шарами визначається виразом 118:

)()3()2()( ... m

ijijij

m

ij PPPS , (3.6)

де m - загальна кількість шарів, у даному випадку m = 3;

nn

n

nn

nnnnn

nij l

zA

l

lzAl

P

chsh

shch

1

1

)( - матриця кожного перехідного шару;

n

nn j

2 , причому n та n - відповідно коефіцієнт поглинання

і довжина хвилі в кожному перехідному шарі;

ln - товщина кожного перехідного шару, при цьому виконується умова

n << ln.

Коефіцієнти матриці )(m

ijS знаходимо з виразу (3.6).

Вирази коефіцієнтів )3(ijS для тришарової п'єзоелектричної системи

при коефіцієнтах поглинання n = 0 приведені в таблиці 3.1 [118].

81

У цій таблиці: 0n

nnk

, де 0n - довжина хвилі в кожному

перехідному шарі на антирезонансній частоті п'єзоелемента f0.

Після виводу матриць у рівнянні (3.5) отримуємо вираз:

v

F

AA

AA

I

EГ

22*

21*

12*

11*

, (3.7)

де )3(2122

)3(11211

)3(2112

)3(1111

2

111

* 1 SASAZSASAZ

ZA Г

Г

Г

,

)3(2222

)3(12211

)3(2212

)3(1211

2

112

* 1 SASAZSASAZ

ZA Г

Г

Г

,

)3(2122

)3(1121

)3(2112

)3(1111

1

21* 1

SASASASAZ

AГ

,

)3(2222

)3(1221

)3(2212

)3(1211

2

22* 1

SASASASAZ

AГ

.

Таблиця 3.1. Коефіцієнти (3)ijS для тришарової п'єзоелектричної

системи

Кількість

шарів

Найменування

коефіцієнта

Вирази для коефіцієнтів

3

)3(11S xkxk

z

zxkxk 32

3

232 sin2sin2сos2сos2

)3(12S

xkxk

z

zxkxkzjA 32

3

22331 сos2sin2сos2sin2

)3(21S

xkxkxkxk

z

z

zA

j2332

2

3

31

сos2sin2сos2sin2

)3(22S

xkxkz

zxkxk 32

2

332 sin2sin2сos2сos2

82

З рівняння (3.7) визначається передавальна функція всього

п'єзовипромінювача, яка після перетворень набирає вигляду:

1

( )( ) І

j x

І І И

Г

pК К Ф x e

E

, (3.8)

де 1

1

2;І

eК

l x - відносна робоча частота;

Фі(x) - амплітудно-частотна характеристика;

φі(x) - фазочастотна характеристика;

2

(3) *(3) *(3) (3)3 1 111 12 21 22

3

1( )

2І

В В

z z zФ x S X S M S Y S N

z z z

2/12

)3(22

1)3(*21

3

1)3(*12

3)3(11

YS

z

zNS

z

zXS

z

zMS

ВВ

, (3.9)

(3) *(3) *(3) (3)3 1 111 12 21 22

3

(3) *(3) *(3) (3)3 1 111 12 21 22

3

arctg В ВІ

В В

z z zS M S X S N S Y

z z z

z z zS X S M S Y S N

z z z

, (3.10)

31

)3(12)3(*

12zjA

SS , )3(

2131)3(*

21 SzjAS .

21112111

2

2111

2

1 baxabx

kba

x

kX tt

,

22222212

2

2212

2

1 abxbax

kab

x

kY tt

,

21212111

2

2111

2

1 abxbax

kab

x

kM tt

,

22222212

2

2212

2

1 baxabx

kba

x

kN tt

,

83

jZ

Z

Г

Г 2

1 ; jX

Z

C

Г

0

1 ,

де Kt - коефіцієнт електромеханічного зв'язку п'єзоелектричної

пластини;

0CX - електричний опір ємності С0 на антирезонансній частоті f0.

Оскільки робоче середовище - повітря з опором zВ 0, то вирази (3.8),

(3.9) набудуть вигляду:

1/22 2

(3) *(3) (3) *(3)1 111 21 11 21

3 3

1( )

2І

z zФ x S X S Y S M S N

z z

, (3.11)

YSz

zXS

NSz

zMS

И)3(*

21

3

1)3(11

)3(*21

3

1)3(11

arctg

. (3.12)

Коефіцієнти ija та ijb визначаються, виходячи зі ступеня закріплення

ЕАП. При механічно недемпфованому перетворювачі 1112 ba

02221 ba . Тому вирази для постійних X, Y, M, N спрощуються:

21112111

2

1 baxbax

kX t

,

222212

2

1 axabx

kY t

,

212111

2

bxbax

kM t

,

2212

2

22 abx

kaxN t

.

Знаючи параметри кожного шару, можна визначити передавальну

функцію всього асиметричного біморфного перетворювача:

84

1/22 2

(3) *(3) (3) *(3)1 111 21 11 21

1 3 3

І

z zeК S X S Y S M S N

l z z

YSz

zXS

NSz

zMS

j)3(*

21

3

1)3(11

)3(*21

3

1)3(11

arctgexp . (3.13)

Розрахунки передавальної функції незакріплених круглих

асиметричних біморфних п'єзокерамічних випромінювачів з достатнім

ступенем точності були підтверджені експериментально.

3.4. Розрахунок коефіцієнта передачі концентратора акустичного

випромінювання

Розглянемо конструкцію пристрою, що складається з осцилюючого

диска 1 (рис. 3.23), який вільно, без опору, може переміщуватися уздовж

вертикальних стінок циліндричної ємності 2. У верхній кришці циліндричної

ємності зроблений отвір радіусу 0R . Вважатимемо, що товщина b стінок

циліндричної ємності настільки велика, що вони не деформуються

надмірним тиском акустичного поля, яке генерується осцилюючим диском.

Вважатимемо, що точки поверхні 0=z осцилюючого диска

здійснюють аксіальні вісьосиметричні коливання ( ) tωi

z eρW , де ( )ρWz -

амплітуда аксіальних зсувів; z та ρ - амплітуда аксіальних зсувів z,, , вісь

z, яка суміщена з віссю симетрії концентратора (рис. 3.23); 1i ;

ω - відома частота зміни знаку; t - час.

Вважатимемо, що акустичне поле в об'ємі циліндрової порожнини

описується лінійними диференціальними рівняннями. Це дозволяє

стверджувати, що при русі осцилюючого диска матеріальні частинки

повітряного середовища коливаються щодо положення рівноваги з тією ж

85

самою частотою . Рух матеріальних частинок повітряного середовища

описується вектором зсуву tiezutzu ,,,

, де zu ,

- просторово

розвинена амплітуда вектора зсуву.

Визначимо усереднене значення амплітуди аксіального зсуву

матеріальних частинок повітряного середовища у площинах 0z , bhz

(рис. 3.23), що визначається наступними співвідношеннями:

R

z

R

zz dWR

ddWR

u0

2

2

0 02

210ˆ

,

0

02

0

,2

ˆR

zz dbhuR

bhu .

O R0 R

z

h + b

h

I II

III

1

2

Рис. 3.23. Розрахункова схема резонатора акустичного

випромінювання: 1 - п’єзоелемент; 2 - резонатор з отвором

При цьому коефіцієнт передачі або, що те ж саме, коефіцієнт

концентрації ,K (символом позначений набір геометричних

параметрів на рис. 3.23) можна визначити наступним розрахунковим

співвідношенням:

R

z

R

z dWdbhuR

RK

002

0

2 0

,, . (3.14)

Для розрахунку амплітудних значень компонентів вектора зсуву

zu ,

матеріальних частинок повітряного середовища введемо скалярний

86

потенціал tiez , поля зсувів амплітудного значення z, , яке

задовольняє рівняння Гельмгольца

Vzzkz ,0,, 22 , (3.15)

де 222 ck - квадрат хвильового числа, 0c - швидкість

звуку, и 0 - адіабатичний модуль стисливості і щільність повітряного

середовища, V - об'єм концентратора.

При цьому амплітуда вектора зсуву

zgradzu ,,

. (3.16)

Амплітуда надмірного тиску, що гармонійно змінюється zP , , яке

виникає при деформації об'ємів повітряного середовища, визначається

наступним виразом

zzzudivzP ,,,, 0

22

. (3.17)

Зважаючи на вираз (3.16), визначення (3.14) можна переписати в

наступному вигляді

R

z

R

dWdz

bh

R

RK

002

0

2 0 ,,

, (3.18)

де bhz

zzzbh

,, .

Таким чином, для визначення передавальної характеристики

концентратора акустичного випромінювання потрібно знайти загальне

вирішення рівняння (3.14), яке повинне задовольняти наступним граничним

умовам:

RWz

zz

z

0

,, (3.19)

hz

z

R

0,

, (3.20)

87

],[0

,0RR

z

z

hz

, (3.21)

],[0

,

0

bhhzz

R

. (3.22)

Передуючи рішенню граничної задачі (3.14), (3.18) - (3.22),

розглянемо деякі особливості вирішення рівняння (3.14).

У разі осьової симетрії, коли похідні по полярному куту

циліндричної системи координат дорівнюють нулю, розгорнена форма

запису рівняння (3.14) має наступний вигляд

2

22 ,

,,1

z

zzk

z

. (3.23)

Слідуючи загальноприйнятій методиці розділення змінних [132],

загальне вирішення рівняння (3.23) шукатимемо у вигляді складення двох

функцій

zZRz , , (3.24)

кожна з яких залежить тільки від однієї змінної.

Підставляючи вираз (3.24) у рівняння (3.23), отримуємо

2

22 111

z

zZ

zZk

R

R

. (3.25)

Рівність (3.25) при довільних значеннях змінних та z виконується

тоді, коли ліва і права частини рівняння (3.26) дорівнюють одній і тій же

константі, яка називається константою розділення. Позначимо константу

розділення символом 2 .

При цьому з рівності (3.25) природним чином формуються два

рівняння наступного вигляду

0

11 22

k

R

R, (3.26)

88

01 2

2

2

z

zZ

zZ. (3.27)

Константу розділення 2 можна визначити декількома способами.

Перший спосіб.

Вважатимемо, що 2 - дійсне позитивне число. Тоді

zBzAzZ sincos , 00 NDJCR ,

де CBA ,, і D - константи; 0J і 0N - функції Бесселя і

Неймана нульового порядку; 22 k - хвильове число, яке може

приймати як дійсні, так і чисто уявні значення. При уявних значеннях

хвильового числа функції Бесселя трансформуються в модифіковані

функції Бесселя і перестають бути знакозмінними.

З цієї причини загальне рішення

zBzANDJCz sincos, 00

1 , (3.28)

зручно використовувати для задоволення заданих граничних умов по

змінній і нульових граничних умов по змінній z .

Другий спосіб.

Вважатимемо, що константа розділення є уявним числом. При

цьому рівняння (3.26) і (3.27) приймають декілька інший вигляд:

0

11 22

k

R

R,

01 2

2

2

z

zZ

zZ.

Вирішення останніх рівнянь формують наступне розрахункове

співвідношення для скалярного потенціалу

zshBzAchNDJCz 00

2 , , (3.29)

де kk 022 .

Оскільки функції Бесселя в рішенні (3.29) залишаються

знакозмінними при будь-яких значеннях хвильового числа k , те рішення

89

(3.29) дозволяє задовольнити заданим граничним умовам по змінній z і

нульовим граничним умовам по змінній .

Третій спосіб.

Константа розділення 022 k . При цьому функція

перетворюється на константу

kzBkzAz sincos,3 . (3.30)

Загальне рішення (3.30) задовольняє умові z,03 і, в

принципі, може бути використано в деяких окремих випадках.

Те ж саме, ймовірно, можна сказати і про четвертий спосіб, коли

константа розділення дорівнює нулю. У цьому випадку рівняння

Гельмгольца має наступне рішення

BzAkNDkJCz 00

4 , .

Необхідно підкреслити, що суперпозиція рішень (3.28) і (3.29), тобто

потенціалів z,1 і z,2 дозволяє забезпечити виконання

найбільшого числа версій граничних умов.

Розрахунок скалярного потенціалу поля зсувів матеріальних частинок

повітряного середовища в об'ємі концентратора.

Весь об'єм резонатора розіб'ємо на часткові області. На рис. 3.23 вони

пронумеровані римськими цифрами I, II і III. Межі часткових областей

формуються внутрішніми поверхнями корпусу резонатора і показаними на

рис. 3.23 штриховими лініями.

Зажадаємо, щоб загальне рішення (3.26) в області I, тобто скалярний

потенціал z,1

1 , задовольняв однорідним граничним умовам наступного

змісту:

],[0,

0

,0

1

1RR

z

z

hz

, (3.31)

90

],0[0,1

1hz

z

R

. (3.32)

Це відповідає рівнянню Гельмгольца і умовам (3.29), де скалярний

потенціал z,1

1 визначається наступним виразом

h

zmNDJCz

mmmmm

cos,

0101101

1

1 , (3.33)

де 22

1 1 mkhhm .

Для того щоб виконувалася умова (3.30) необхідно, щоб виконувалася

рівність

0111111 mmmm NDJC .

Звідси витікає, що

RN

RJCD

m

mmm

11

1111

,

і вираз (3.31) приймає наступний вигляд:

h

zmN

RN

RJJCz

mm

m

mmm

cos,

010

11

11101

1

1 . (3.34)

Від загального рішення (3.27) для першої часткової області

зажадаємо, щоб потенціал z,2

1 задовольняв наступним граничним

умовам

],0[0,

0,

2

1hz

z

RR

, (3.35)

],[,

0

0

2

1RRW

z

zz

z

, (3.36)

],[0,

0

2

1RR

z

z

hz

, (3.37)

що задовольняє умові 0,2

1 R

z

і умові (3.34).

91

Скалярний потенціал визначається таким чином

11

1

1

110

11

11

101

2

1 ,n

n

n

n

nn

n

n

nn zshhch

hshzchN

RN

RJJAz

, (3.38)

де kk nn 02

1

2

1 .

Щоб виконувалася умова 0,

0

2

1 R

z

, необхідно

належним чином визначити хвильове число n1 .

Якщо прийняти, що 01 Rqnn , де nq - n -ий корінь

трансцендентного рівняння

01111 xNxJxNxJ , (3.39)

де параметр 0RR , то граничні умови (3.38) виконуватимуться

повністю. При цьому хвильове число 20

2

01 1 kRqR nn .

У таблиці 3. 2 приведені числові значення перших 20 коренів рівняння

(3.39) при різних значеннях параметра .

Підставляючи вираз (3.38) в умову (3.36), отримуємо наступну

рівність

z

n n

n

nnn Whch

hshRqFA

1 1

1

0111 , (3.40)

де

00

1

10001 RqN

qN

qJRqJRqF n

n

nnn

.

Коефіцієнти nA1 визначаються з рівняння (3.40) за допомогою методу

коллокацій [121].

Таким чином, скалярний потенціал z,1 поля зсувів матеріальних

частинок у першій частковій області, що визначається виразом

010

11

111011 cos,

mm

m

mmm z

h

mN

RN

RJJCz

92

11

1

11011

nn

n

nnnn zsh

hch

hshzchRqFA

, (3.41)

де константи nA1 визначаються з граничної умови (3.40), а константи

mC1 підлягають визначенню в процесі подальшого рішення завдання.

Скалярний потенціал z,2 поля зсувів матеріальних частинок у

другій частковій області повинен задовольняти умовам сполучення рішень на

межі 0R першою і другою часткових областей. Ці умови включають

третій закон Ньютона, тобто

zRzR ,, 0201 , (3.42)

і умови кінематичного сполучення полів зсувів матеріальних частинок

00

,, 21

RRz

z

z

z

. (3.43)

Таблиця 3.2. Перші десять коренів рівняння 01111 xNxJxNxJ

( 0RR )

n R0/R = 0,1 R0/R = 0,2 R0/R = 0,3 R0/R = 0,4 R0/R = 0,5 R0/R = 0,6

1 0,394094 0,847150 1,411733 2,156473 3,196578 4,758054

2 0,733057 1,611072 2,731279 4,223091 6,312350 9,448369

3 1,074838 2,385316 4,065950 6,306583 9,444465 14,15300

4 1,418864 3,164208 5,405994 8,395780 12,58120 18,86146

5 1,764331 3,945411 6,748442 10,48619 15,71985 23,57148

6 2,110731 4,727899 8,092159 12,57825 18,85948 28,28228

7 2,457760 5,511168 9,436620 14,07096 21,99966 32,99954

8 2,805219 6,294945 10,78156 16,76409 25,14019 37,70508

9 3,152994 7,079068 12,12681 18,85750 28,28096 42,41680

10 3,501001 7,863439 13,47229 20,95110 31,42189 47,12866

00

,, 21

RR

zz

. (3.44)

93

Окрім цього, повинні виконуватися граничні умови на поверхні 0z ,

тобто

0

0

2,0

,RW

z

zz

z

. (3.45)

Таким чином, є чотири, обов'язкові до виконання, умови. Для того

щоб забезпечити виконання умов (3.42) - (3.45), необхідно мати в своєму

розпорядженні чотири групи констант. Одна група, константа mC1 , вже

міститься у складі виразу для розрахунку потенціалу z,1 . Три групи

констант, що залишилися, повинні міститися у визначенні потенціалу

z,2 , який, як і потенціал z,1 , можна представити у вигляді суми

двох потенціалів z,1

2 і z,2

2 . Потенціали z,1

2 і z,2

2

визначаються наступними виразами

0102

1

2 cos,m

mmh

zmJCz

, (3.46)

1

222200

2

2 ,

zshBzchARqJz , (3.47)

де mC2 , 2A і 2B - константи; 22

1 1 mkhhm ; q - -ий

корінь рівняння 01 xJ ; 20

2

02 1 kRqR .

З умови (3.45) виходить, що

zWBRqJ

12002

, (3.48)

це дає можливість наближеного визначення декількох коефіцієнтів

2B за допомогою методу коллокацій [121].

Умови сполучення рішень (3.42) - (3.44) у розгорненій формі запису

мають наступний вигляд:

94

0010

11

110101 cos

mm

m

mmm

h

zmRN

RN

RJRJC

00102

11

1

1111 cos

mmm

nn

n

nnnn

h

zmRJCzsh

hch

hshzchqFA

1

22220

zshBzchAqJ , (3.49)

0010

11

110101 sin

mm

m

mmm

h

zmRN

RN

RJRJC

h

m

00102

11

1

11111 sin

mmm

nn

n

nnnnn

h

zmRJC

h

mzch

hch

hshzshqFA

1

222202

zchBzshAqJ , (4.50)

0011

11

1101111 cos

mm

m

mmmm

h

zmRN

RN

RJRJC

001121 cos

mmmm

h

zmRJC

. (3.51)

З рівності з очевидністю витікає, що

0111111011

1101121

RNRJRNRJ

RNRJCC

mmmm

mmmm

. (3.52)

Виключаючи за допомогою співвідношення (3.53) константи mC1 з

умов (3.49) і (3.50), отримуємо наступну систему рівнянь

zzchqJAh

zmRRFC

mmmm 1

1202

0012 cos,,

, (3.53)

zzshqJAh

zmRRFC

h

m

mmmm 2

12022

0012 sin,,

, (3.54)

011111101101

01101

2,,

RNRJRNRJR

RJRRF

mmmmm

mmm

. (3.55)

95

z1 и z2 - відома функція координати z, причому:

1202

11

1

11111

zshqJBzsh

hch

hshzchqFAz

nn

n

nnnn

,

12 1 1 1 1 1 2 2 0 2

1 11

.nn n n n n

n n

sh hz A F q sh z ch z B J q ch z

ch h

Прямими обчисленнями можна показати, що при 02 A виконання

умови (3.32) спричиняє за собою автоматичне виконання умови сполучення

(3.43). Це еквівалентно наступному: якщо при 02 A виконується рівність

(3.53), то рівність (3.54) виконується автоматично.

Таким чином, для визначення констант mC2 маємо рівняння (3.53),

яке, унаслідок ортогональності функцій hzmcos на інтервалі 0,0 R ,

досить просто приводиться до наступного вигляду

hRRFCh

mmmm 1012 ,,2

.

Звідси витікає, що

1 1

22

1

1111

01

1

01

2,,

2

,,

2

n nn

nnnn

mm

m

mm

mhchhm

hshqFA

RRFhh

RRFhC

1222

2

022 11

hchhm

qJB m

. (3.56)

Після цього можна стверджувати, що скалярний потенціал поля зсувів

у другій частковій області концентратора задовольняє рівнянню

Гельмгольца, умовам сполучення полів на межі 0R першою і другою

часткових областей концентратора і граничним умовам на поверхні 0z ,

тобто потенціал z,2 адекватним чином описує хвильове поле в другій

частковій області концентратора акустичного випромінювання.

12002

01022 cos,

zshRqJB

h

zmJCz

mmm

. (3.57)

96

Скалярний потенціал z,3 поля зсувів матеріальних частинок у

третій частковій області повинен задовольняти граничним умовам на

поверхні 0R , тобто:

bhhz

z

R

,0,

0

3

, (3.58)

і умовам сполучення хвильових полів на поверхні hz :

hzhz

zz

,, 23 , (3.59)

hzhz

zz

,, 23, (3.60)

hzhzz

z

z

z

,, 23 . (3.61)

Скалярний потенціал

hzkDhzshBhzchARqJz

cos, 31

2323003

, (3.62)

де q - корінь рівняння 01 xJ ; ck - хвильове число;

c - швидкість звуку; 3A , 3B і 3D - константи, що забезпечують

автоматичне виконання граничних умов (3.58).

Умови сполучення (3.59) - (3.60) записуються в наступному вигляді

hDRqJA ,231

003

, (3.63)

hRqJA

R

q ,2

1013

0

, (3.64)

hzz

zRqJB

,2

10032

, (3.65)

де праві частини рівнянь (3.63) - (3.65) є відомими функціями

радіальної координати .

97

Відомий [121] інтеграл

0

1 0 1 0 2

0 0 20

0 ,

2 .

R

m

mJ q R J q R d

R J q J q при m

(3.66)

Використовуючи інтеграл (3.66) визначений з рівнянь (3.59) і (3.60)

константи 3A і 3B :

0

0

01

2

200

3

,2R

dRqJh

qJqJRqA

. (3.67)

Після цього з рівняння (3.68) визначається константа 3D

1

00323 ,

RqJAhD . (3.68)

Вираз (3.68), на перший погляд, здається суперечливим. Зліва

записана константа, а справа - функції радіальної координати.

Проте це не прості функції, а нескінченні суми Беселевих функцій,

аргумент яких, що змінюється, кратний корінню рівняння 01 xJ . Ці суми,

як правило, дають результат, який не міняється на певному інтервалі зміни

радіальної координати .

Таким чином, скалярний потенціал z,3 поля зсувів матеріальних

частинок у третій частковій області задовольняє рівнянням Гельмгольца,

граничним умовам на поверхні ( bhzhR ;0 ) і умовам сполучення

рішень у площині hz . Отже, потенціал z,3 описує хвильове поле в

горловині концентратора акустичного випромінювання.

3.5. Висновки до розділу 3

1. Запропоновані і досліджені конструкції п’єзокерамічних

випромінювачів з об’ємними резонаторами Гельмгольца, що дозволяє

понизити частоту на 2кГц і збільшити на 20 дБ (10 раз) рівень звукового

тиску.

98

2. Для розширення смуги робочих частот було введено додатковий

електричний коливальний контур за допомогою індуктивності та об'ємного

резонатора, що дозволило підвищити рівень звукового тиску на 28 дБ

(25 раз), а також розширити смугу частот перетворювача на 6 кГц.

3. Для збільшення акустичної потужності кільцевого п’єзоелемента

запропоновано навантажувати його додатковими коливальними системами -

механічними або електричними.

4. Визначена передавальна характеристика біморфного елемента в

режимі випромінювання акустичних хвиль і запропонована схема

обчислювальних процедур для отримання її аналітичного виразу.

Основні наукові результати розділу опубліковані в роботах [95, 96, 99,

112, 113, 116, 145, 89, 93]

99

РОЗДІЛ 4

ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З ПРОСТОРОВО

КУТОВИМ ЗВ'ЯЗКОМ

4.1. Просторова енергосилова структура п’єзокерамічних датчиків

При проектуванні п’єзокерамічних датчиків, зазвичай,

використовують п’єзоелементи певної форми і розмірів, з п’єзокерамічного

матеріалу з певними електрофізичними властивостями (характеристиками).

При цьому вектор сили F, що діє на п’єзоелемент (тиск і тому подібне),

паралельний вектору поляризації Р. Одночасно вектор сили F паралельний

вектору електричного поля Е вихідного сигналу датчика, тобто

перпендикулярний електродам, які нанесені на поверхню п’єзоелемента

(рис. 4.1. а) [122].

Такий тип датчика відомий і названий традиційним [122] (рис. 4.1). У

даному випадку для певного п’єзоелемента можна отримати тільки один

датчик з певними характеристиками (резонансна частота, чутливість,

діапазон робочих частот). Для отримання датчика з іншими

характеристиками раніше було необхідно використовувати інший

п’єзоелемент, іншого розміру, іншої форми, з іншого п’єзоматеріалу.

F

P

E

а

F

P

E

б

100

F

PE

в

Рис. 4.1. Тип просторової енергосилової структури п’єзоелемента:

а - традиційний; б - поперечний; в - домено-дисипативний

Це зв'язано, очевидно, з тим, що ці електроди використовують для

поляризації п’єзоелемента при виготовленні. Одночасно вони

використовуються також для зняття корисного сигналу при вимірюванні

фізичних величин (сили, тиск, прискорення і ін.), а також для введення в

п’єзоелемент електричної напруги при використанні його як випромінювач.

Вважалося також, що таке розташування електродів і векторів F, Р і Е

для перетворювача з п’єзокераміки є природним і єдино можливим.

Тому пропозиція враховувати при розробці конструкцій датчиків

векторів Е, а також взаємне розташування векторів F, Р і Е було

неординарним і незвичайним рішенням Для реалізації цієї пропозиції

довелося також навчиться наносити на п’єзоелемент додаткові електроди.

Взаємне розташування векторів F, Р і Е було назване просторовою

енергосиловою структурою (ПЕСС) п’єзоелемента [122, 123-128].

Три можливі варіанти виконання п’єзоелементів для датчиків

показано на рис. 4.1.

Фізика процесів, що відбуваються в цих датчиках, вивчена

недостатньо. Передбачається, що вплив на їх характеристики можуть

надавати наступні чинники: розсіювання енергії на доменах, зміна

електричної ємності між електродами, утворення в п’єзоелементі інших типів

коливань. Визначення можливого внеску кожного з перерахованих чинників

вимагає подальшого вивчення. Недостатньо вивчені переваги домено-

101

дисипативних п’єзоелементів у датчиках. Метод вимагає розвитку і вивчення

для використання у випромінювачах звуку.

Для експериментальних досліджень був використаний

п’єзоперетворювач, який виготовлений з п’єзокераміки ЦТС-19 у вигляді

циліндра із зовнішнім діаметром 32 мм, внутрішнім діаметром 28 мм і

заввишки 20 мм. П’єзоелемент поляризований радіально. Внутрішній і

зовнішній електроди п’єзоелемента були розділені на 6 рівних частин.

Конструкція циліндричного п’єзоперетворювача показана на рис. 4.2.

Аналіз існуючих публікацій з цієї тематики показує, що математичні

моделі розроблені в основному для п’єзоперетворювачів у вигляді стрижня,

пластини прямокутної або круглої форми [2], перетворювачів, виконаних у

вигляді п’єзокерамічних циліндрів з секційними електродами [129]. Для

таких об'єктів математичні моделі відсутні.

Математична постановка завдання

Початкові рівняння включають:

- рівняння руху п’єзокерамічної циліндричної радіально

поляризованої оболонки (плоский випадок) [130]

2 22 2 2 3

13 13

2 2 2 3

11 33 11 33

0 2 2

13

2

11 11

2 22 3 2 4

13 13

2 3 2 4

11 33 11 33

2013

11

1 1 112 12

.

1 112 12

E s E s

r

E E

E s E s

rE

e eh u w h w

R C R C

e R E R u

C C t

e eu h u h ww

R C R C

e R RE

C C

2

2

11

.E

w

t

(4.1)

- вираження індукції rD для циліндричної оболонки, записане з

використанням співвідношень Коші [131]

0

13 33

1,s

r r

u wD e E

R R

(4.2)

102

де h - товщина оболонки; R - радіус серединної поверхні оболонки;

,13e ,11

EC ,33

s - п’єзомодуль, модуль пружності, діелектрична проникність і

щільність п’єзокераміки, відповідно; w, u - нормальна і тангенціальна

складові переміщень серединної поверхні оболонки; - кутова координата;

,0

rE rD - радіальні компоненти напруженості поверхні оболонки і індукції

електричного поля (у подальшому індекси «r» і «(0)» опускаємо); t - час.

Запишемо початкові рівняння (4.1), (4.2) в безрозмірному вигляді,

розділивши w, u, R, h на R; t на kc

R; E на

33

1

d; D на 13e , тоді будемо мати:

2 3 2

2 3 2

3 4 2

3 4 2

1 ,

,

u w w E U

t

u u w ww E

t

(4.3)

1,

UD w E

(4.4)

де kc - швидкість звуку в п’єзокераміці; 33d - п’єзомодуль.

Постійні коефіцієнти, що входять у рівняння (4.2) і (4.3),

визначаються по формулах

sEC

e

R

h

3311

2

13

2

2

112

; sEC

e

3311

13

;

s

de

33

3313

. (4.5)

На зовнішню і внутрішню поверхні оболонки нанесені металізовані

електроди. Внутрішній електрод суцільний і заземлений, а зовнішній -

роздільний в осьовому напрямі розрізами на дві електрично не зв'язані

частини. Шириною розрізів і товщиною електродних покриттів надалі

будемо нехтувати.

На секцію електродів збудження, що займають область 00; , ( 0

- кутові координати розрізів електроду), підводиться задана електрична

напруга ( )tQ (рис. 4.2).

103

0

00

00

G(t)

Q(t)

aв

б

Рис. 4.2. Розташування електродів на циліндричному

п’єзокерамічному перетворювачі (вигляд зверху): а - внутрішній електрод

заземлення; б - електрод збудження; в - генераторний електрод

Електричний сигнал, що підводиться, порушує в цій частині

перетворювача електричне поле з напруженістю на серединній поверхні [131]

h

tQtE . (4.6)

У свою чергу вважатимемо, що незадіяний електрод 00;

підключений до електронного пристрою з нескінченно великим (декілька

десятків мегом) вхідним опором (режим “холостого ходу”). Тоді для цієї

області перетворювача, коли 0 , виконується умова по електричному

полю для розімкнених електродів, що забезпечує рівність нулю струму зсуву

через ці поверхні циліндричної оболонки.

S

L

dzDdt

Ddst

0

0 0

0

, (4.7)

де S - поверхня оболонки; L - безрозмірна висота циліндричної

оболонки, що віднесена до R.

Слід зазначити, що вирази (4.6 - 4.7) є електричними граничними

умовами на генераторному електроді, а напруга, що задається,

Q - електричною граничною умовою на електроді збудження [131].

Вирішення задачі:

Розглядатимемо сталий у часі динамічний процес, тобто залежність

від часу фізичних величин, що цікавлять, задається у вигляді tie .

104

Представимо невідомі переміщення w, u і електричну напруженість E

у вигляді рядів, розклавши їх по власних формах коливань оболонки (ряди

Фур’є):

0

, cos ,i t

n

n

w t w n e

1

, sin ,i t

n

n

u t u n e

0

, cos ,i t

n

n

E t E n e

(4.8)

де nw , nu , nE - невідомі коефіцієнти, що підлягають знаходженню.

Підставивши вибрані вирази (4.8), із заміною в них індексу

підсумовування n на m, в електричні граничні умови (4.7), отримаємо

.02

sin2sin2 0∞

0

0

∞

1

0 ∑∑

Emm

wmu

m

m

m

m

(4.9)

Запишемо другий доданок виразу (4.9) у вигляді

∑∑∞

1

000

∞

0

0 sin22sin2

m

m

m

m mm

wwm

m

w .

Тоді вираз (4.9) прийме вигляд

.02

sin22sin2 0∞

1

000

∞

1

0 ∑∑

Emm

wwmu

m

m

m

m

Вирішимо цей вираз відносно E:

.sin

∑∞

1 0

00

mm

m

muwm

mwE

(4.10)

Електричну напруженість (4.10) для цієї частини перетворювача

(генератора) можна записати у вигляді

-

sin- 0

∞

1 0

00 ∑ Hmuw

m

mwE mm

m

, (4.11)

де -0H - функція Хевісайда, яка набуває значення одиниці для

області, де електроди розімкнені ( 00 ≤≤- ), і нульові значення для

частини оболонки, що залишилася.

105

Електричну напруженість поля для тієї частини перетворювача

(збудника), до якої підводиться електрична напруга tQ , із залученням

функції Хевісайда, представимо у вигляді

0- - .Q t

E t Hh

(4.12)

Тоді напруженість електричного поля в довільній точці серединної

поверхні перетворювача з урахуванням виразів (4.10), (4.11) можна записати

таким чином:

.---sin

- 00

∞

1 0

00 ∑

H

h

tQHmuw

m

mwE mm

m

(4.13)

Розкладаючи вираз (4.12) по парних функціях у ряд Фур’є з

урахуванням виразу (4.7), отримаємо:

h

Qmuw

m

mwE n

m

mmnn

-

sin- ∑

∞

1 0

00

, (4.14)

де постійні коефіцієнти, що входять у рівняння (4.14) визначаються

виразами:

,00

0n ;

n

nn

0sin2 , 0n ;

,-1 00

0n ;

n

nn

0sin2- . 0n .

Запишемо вираз (4.14) в дещо іншому вигляді:

h

QmuwE n

m

mmmnn -- ∑∞

0

, ( 0,1,2...),n (4.15)

де 0 при 0=m ; 0

0sin

m

mm при ...2,1m .

Підставляючи вираз (4.7) у рівняння руху оболонки (4.8), матимемо:

2 3 2

3 4 2

1 -

- .

n n n n n

n n n n n n

n u nw n w nE u

nu n u w n w E w

(4.16)

106

Помноживши друге рівняння системи (4.16) на n і віднявши від нього

перше, отримаємо:

0])1-([]-)1-([ 222222 nn unnwnnn .

Вирішуючи отримане рівняння відносно un, будемо мати

2

3

2

3

-,

-

n

n n

n

nu w

(4.17)

де 1-22

3 nnn .

Підставляючи вираз (4.17) у перше рівняння системи (4.16) з

урахуванням виразу для складових напруженості nE (4.15) отримаємо:

4 2 2

2 4 1 4

2 203 3

-- ,n n m m

n n m m n

mn m

Qw w

h

де )1( 2

1 nn ; 1

2

2 )1( nn n ; 3

2

4 )1-( nn n .

Позначивши 3

2

4

2

2

4 -

n

nnn

,

3

2

4

2

1 -

m

mmm

вираз для

відшукання nw ,можна записати у вигляді:

∑∞

0

,-

m

nmmmnnnh

Qww ( 0,1, 2...)n . (4.18)

Далі по обчислених значеннях nw , nu (для цього притягуються вирази

(4.17), (4.18), знаходиться амплітуда електричної напруги tG на

розімкнених електродах п’єзоперетворювача. Для цього необхідно

скористатися правою частиною виразу (4.10):

)(sin

1 0

00 mm

m

muwm

mwhtG

. (4.19)

Знаходженням амплітуди напруги tG на генераторних електродах

п’єзокерамічного перетворювача закінчується рішення поставленої задачі.

Для дослідження поліелектродного циліндричного

п'єзоперетворювача використовувалася традиційна схема підключення

(рис. 4.3).

107

П'єзокерамічний перетворювач містить два генератори електричних

коливань G1 і G2, і циліндричний поліелектродний п'єзоелемент.

Рис. 4.3. Традиційна схема підключення циліндричного

п'єзоперетворювача

При проведенні експериментальних досліджень використовувався

генератор Г3-109. Осцилограми вихідного сигналу фіксувалися на

осцилографі SIGLENT SDS1052DL. Вимірювання проводилися при дії на

перетворювач синусоїдальної електричної напруги (U = 1 В).

Результати вимірювань приведені в таблиці 4.1.

З таблиці 4.1 витікає, що найбільший коефіцієнт передачі напруги

п'єзоперетворювача можна отримати при його підключенні по схемі № 1.

Таблиця 4.1. Коефіцієнт передачі напруги циліндричного

перетворювача

Схема

№

Система підключення електродів К пер.

G1 G2 Вихід fдр fр fпр

1 2-2' 6-6' 1-1' 0,13 12,4 1,1

2 2-2' 5-5' 1-1' 0,11 7 0,78

3 4-4' 6-6' 1-1' 0,07 7 1,85

4 5-5' 6-6' 1-1' 0,08 7,2 0,67

Досліджувався також вплив площі електродів, на які подається вхідна

напруга, на коефіцієнт передачі п'єзоперетворювача в дорезонансній,

резонансній і післярезонансній частотних областях. Для вимірювань

використовувалася традиційна схема підключення.

108

Результати вимірювань приведені на осцилограмах рис. 4.4, а також у

таблиці 4.2. З таблиці 4.2 видно, що збільшення площі вхідних електродів

приводить до збільшення коефіцієнта передачі напруги п'єзоперетворювача.

а б

в

Рис. 4.4. Осцилограми циліндричного п'єзоперетворювача при

збільшенні площі електродів: а - дорезонансна частота; б - резонансна

частота; в - післярезонансна частота

Отримані результати дозволяють припустити, що використання

розроблених схем підключення на основі циліндричного поліелектродного

п'єзоперетворювача сприяють збільшенню рівня вихідної напруги в 4 рази і,

у свою чергу, акустичної потужності.

Таблиця 4.2. Коефіцієнт передачі циліндричного п'єзоперетворювача

при збільшених площах електродів

Електроди Кпер

G1 G2 Вихід fдр fр fпр

2+3-2'+3' 4+5-4'+5' 1+6-1'+6' 0,063 8 1,5

109

4.2. Просторово-енергосилова структура (ПЕСС) п'єзоелементів

випромінювачів звуку. Просторово-кутова взаємодія електричних полів

(ПКВЕП)

Розглянута в розділі 4.1, просторова енергосилова структура

п'єзоелементів приймачів звуку (датчиків) описується положенням у просторі

трьох векторів: поляризації P, сили F і електричного поля E. Для опису

ПЕСС п'єзоелементів випромінювачів досить два вектори: поляризація - P і

E - напруга збудження електричного поля.

Коли ці вектори паралельні (кут α між ними дорівнює нулю) - це

відомий, традиційний випадок, широко використовуваний у випромінюючих

електроакустичних перетворювачах. Характеристики таких перетворювачів

детально вивчені, а перетворювачі широко використовуються в електро- і

гідроакустиці.

P E

Рис. 4.5. Відома ПЕСС п'єзоелемента випромінюючих перетворювачів

Несподіваний результат був отриманий для п'єзоелементів

випромінюючих перетворювачів при куті α≈60° між вектором поляризації і

вектором збуджуючого електричного поля при пошуку можливостей

створення згинальних коливань у дискових мономорфних п'єзоелементах.

Традиційно вважається, що в мономорфних п'єзоелементах у вигляді

пластин, брусків, дисків, згинальні коливання не виникають [52].

Тим часом експериментально виявлено виникнення низькочастотних

коливань у мономорфних п'єзоелементах, проте рівень звукового тиску, що

створюється мономорфними п'єзоперетворювачами, відносно невеликий

[132].

110

На рис. 4.6. а показана схема підключення і амплітудно-частотна

характеристика (АЧХ) по звуковому тиску (рис. 4.6. б) мономорфного

п'єзоелемента Ø66х3 мм, виготовленого з п'єзокераміки ЦТС-19.

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

Р

3.6 3.8 4 4.2

65

70

75

P, dB

f, kHz

Pr =76,5dB

r0=8,44kOhm

а б

Рис. 4.6. Електроакустичний перетворювая: а - схема підключення;

б - амплітудно-частотна характеристика по звуковому тиску в

низькочастотній області мономорфного п'єзоелемента Ø66х3 мм

Як видно з рис. 4.6, амплітудно-частотна характеристика

мономорфних п'єзоелементів у низькочастотній області має резонансний

характер.

Для уточнення типу коливань для цього ж п'єзоелемента були

отримані фігури Хладні (рис. 4.7). Як видно з рис. 4.7. а, вид фігури Хладні

для частоти 4,05 кГц відповідає згинальним коливанням п'єзоелемента, а для

частоти 34 кГц - основній резонансній частоті радіальних коливань

(рис. 4.7. б).

а б

Рис. 4.7. Фігури Хладні: а - для згинальних; б - радіальних коливань

мономорфного дискового п'єзоелемента

111

Для збільшення рівня згинальних коливань запропоновано створити в

п'єзоелементі електричне поле, стимулююче ці коливання, для чого

електроди на п'єзоелементі розташувати так, щоб вектор електричного поля E

збуджуючої напруги складав кут α з вектором поляризації P, за умови

0<α≤90° (рис. 4.8. а, б).

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

Р

а

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

Р

б

Рис. 4.8. Схеми підключення п'єзоелементів: а - α=60°, електроди 1 і 2'

розташовані компланарно; б - α=90°, електроди 1 і 2 розташовані планарно

Це припущення не є очевидним, оскільки при цьому вхідна ємність

зменшується, а власний опір росте.

При використанні такої схеми в п’єзокерамічних випромінювачах

можливі два конкуруючі процеси: посилення згинальних коливань за рахунок

розташування вектора збуджуючого поля і одночасне зменшення цих

коливань за рахунок збільшення власного опору п'єзоелемента. Тому це

зажадало експериментальної перевірки запропонованої схеми.

Для п'єзоелементів (рис. 4.9) знімалися амплітудно-частотні

характеристики по звуковому тиску за допомогою шумоміра RFT 00024.

Одночасно на резонансній частоті вимірювалося внутрішнє тертя в

п'єзоелементі. Результати вимірювань приведені на рис. 4.9.

112

3.6 3.8 4 4.2

65

70

75

80

85

P, dB

r0=36,6kOhm

Pr=88dB

f, kHz 3.6 3.8 4 4.2

65

70

75

80

85

P, dB

f, kHz

r0=36,6kOhm

Pr=88,5dB

а б

Рис. 4.9. АЧХ перетворювачів по схемі: а - рис. 4.9. а; б - рис. 4.10. б

З рис. 4.9 видно, що для схем з α≈60° (рис. 4.8. а) рівень звукового

тиску зріс приблизно на 12 дБ, резонансна частота не змінилася, а r0

збільшилося приблизно в 4 рази в порівнянні з перетворювачем з α=0°

(рис. 4.6. а).

Для подальшого збільшення звукового тиску можна скористатися

методом додаткових елементів, зокрема методом додаткового коливального

контура [133]. У цьому випадку на вході п'єзоелемента був створений

коливальний контур з додаткової індуктивності Lдод і міжелектродної ємності

п'єзоелемента Сел. Індуктивність визначається виразом (4.19) [134]:

2 2

1

4 р елдод f С

L

, (4.19)

де fр - резонансна частота п'єзоелемента;

Cел - ємність між електродами 1-2', 1-2 і 1-1' відповідно.

Схеми підключення п'єзоелемента з додатковою індуктивністю

показані на рис. 4.10.

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

Р

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

Р

а б

113

1

1' 2' 3'

2 3 4

4'

L1

Р

в

Рис. 4.10. Схеми підключення п'єзоелемента з додатковою

індуктивністю: а - C1-2'=1,2 нФ, Lдод=1,25 Гн; - C1-2=1,13 нФ, Lдод=1,3 Гн; в

- C1-1'=8,1 нФ, Lдод=0,185 Гн

Результати вимірювань АЧХ показані на рис. 4.11.

3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4

70

80

90

100

110fr=4,05kHz

Pr=112,5dB

P, dB

f, kHz 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4

70

80

90

100

110fr=4,05kHz

Pr=113dB

f, kHz

P, dB

а б

3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4

60

70

80

90

f, kHz

P, дБ

fr =4,05kHz

Pr =102dB

в

Рис. 4.11. АЧХ перетворювачів з додатковою індуктивністю: а - рис.

4.10. а, б; б - рис. 4.10. в.

З рис. 4.11 видно, що рівень звукового тиску на частоті 4,05 кГц для

перетворювачів з додатковою індуктивністю (рис. 4.10) зріс приблизно на

24 дБ у порівнянні з перетворювачами без індуктивності (рис. 4.9) і

приблизно на 36 дБ у порівнянні з відомою схемою підключення (рис. 4.6. а)

на цій же частоті.

114

Було перевірено експериментально, чи розповсюджуються ці

результати на п'єзоелементи з іншого п'єзоматеріалу та інших розмірів.

У цьому випадку дисковий п'єзоелемент Ø50×1,2 мм з п'єзокераміки

ЦТБС - 3, яка найчастіше використовується в електроакустиці [1-3]. Як і в

попередньому випадку, електроди на п'єзоелементі розділено на кільця (1, 1’)

і дискові (2-2’) (рис. 4.12). Діаметр дискового електроду 24 мм, проміжок між

електродами - 3 мм.

Рис. 4.12. Дисковий п'єзоелемент Ø50×1,2 мм (ЦТБС - 3)

Метою експериментів є визначення рівня звукового тиску залежно від

схеми підключення до генератора. Одночасно вимірювалася ємність між

відповідними електродами СΣ і опір r0 на резонансній частоті 3,07 кГц

(внутрішнє тертя) [135, 136]. Спочатку були проведені вимірювання для схем

без додаткової індуктивності (додаткового коливального контура), номери

схем з 1 по 5 в табл. 4.3.

З табл. 4.3 слідує наступне:

1. При підключенні генератора до дискового електроду рівень

створюваного звукового тиску вище, ніж при підключенні до кільця.

2. При підключенні дискового і кільцевого електродів паралельно

рівень звукового тиску практично не росте, хоча сумарна ємність між

електродами CΣ виросла, а опір r0 зменшився.

3. При підключенні генератора до електродів п'єзоелемента так,

щоб кут α між електричним полем і вектором поляризації наближався до 60°,

звуковий тиск виріс, не дивлячись на те, що ємність зменшилася, а r0

збільшилося.

115

Таблиця 4.3. Схеми підключення дискового п'єзоелемента

№ Схема СΣ, нФ r0, кОм Pзв, дБ

1

1 2

1' 2'

C1-1' = 22,5 r0 = 2,444 70

2

1 2

1' 2'

C2-2' = 7,1 r0 = 7,311 77

3

1 2

1' 2'

CΣ = 30,6 r0 = 1,811 72

4

1 2

1' 2'

C1-2' = 0,76 r0 = 27,5 88

5

1 2

1' 2'

C2-1' = 0,74 r0 = 24,444 88

Були також проведені вимірювання для схем із додатковою

індуктивністю (однією або двома). Результати вимірювань приведені в табл.

4.4.

116

Таблиця 4.4. Схеми підключення дискового п'єзоелемента із

додатковою індуктивністю

№ Схема С∑, нФ L, Гн r0, кОм Pзв, дБ

1

L1

1 2

1' 2'

C1-1' = 10,5 L1=0,15 - 83

2

L1

1 2

1' 2'

C2-2' = 4,2 L1=0,35 - 93

3

L1

1 2

1' 2'

CΣ = 15,2 L1=0,11 r0 = 0,22 92

4

L1

1 2

1' 2'

C1-2' = 0,76 L1=3,34 r0 = 2,75 108

5

L2

1 2

1' 2'

C2-1' = 0,74 L1=3,41 r0 = 2,839 108

6

L1

L2

1 2

1' 2'

C1-1' = 22,5

C2-2' = 7,1

L2 = 0,352

L1 = 0,111

r0 = 0,2 109

117

Продовження таблиці 4.4

№ Схема С∑нФ L, Гн r0, кОм Pзв, дБ

7

L1

L2

1 2

1' 2'

C1-2' = 0,76

C2-2' = 7,1

L2 = 0,56

L1 = 3,50

r0 = 0,463 111

8

L1

L2

1 2

1' 2'

C1-1' = 22,5

C2-1' = 0,74

L2 = 3,41

L1 = 0,141

r0 = 0,244

114

З табл. 4.4 слідує наступне:

1. Так само, як і для випадку без додаткової індуктивності, звуковий

тиск вище при підключенні генератора до дискового електроду (схеми 1-3).

2. Для схем з кутом α≈60° (схеми 4-5) звуковий тиск на 15-25 дБ

вищий, ніж для схем з традиційним підключенням.

3. Перетворювач по традиційній схемі з однією індуктивністю

(схема 3) створює менший звуковий тиск, ніж перетворювач по традиційній

схемі з двома індуктивностями (схема 6).

4. При одночасній дії по традиційній схемі (α=0°) та під кутом

α≈60° (схеми 7,8) отримано збільшення звукового тиску. Максимальний

звуковий тиск, коли електрична напруга підводиться по традиційній схемі

(α=0°) до кільцевого електроду, а під кутом α≈60° - до дискового.

Далі візьмемо циліндричний п'єзоелемент і створимо в ньому

згинаючі коливання, які вивчимо експериментально.

118

Розглянемо випадок, коли електроди на циліндричних поверхнях

розділені на 4 частини (секції 1-4, 1´-4´), так, як це показано на рис. 4.13.

Для експериментів використовувався п'єзоелемент Ø32×Ø28×20 мм з

п'єзокераміки ЦТС-19, радіально поляризованній.

Основна резонансна частота радіальних коливань 31,7 кГц, коливань

по висоті циліндра 42,1 кГц, згинальних коливань - 4,15 кГц.

2

31'1

2'

3'

4'

4

Рис. 4.13. П'єзоелемент у формі порожнистого циліндра: 1, 2, 3, 4 і

1´, 2´, 3´, 4´ - електроди

Елементами, які можуть створювати згинальні коливання, є секції

циліндра, обмежені електродами:

а) 1-1´, 2-2´, 3-3´, 4-4´ - у цьому випадку при подачі електричної

напруги на відповідні пари електродів (наприклад, 1-1´), п'єзоелемент у зоні

дії цієї секції збільшує або зменшує кривизну (вектор електричного поля

паралельно вектору поляризації, α=0°);

б) при подачі електричної напруги на пари зовнішніх або внутрішніх

електродів (наприклад, 1-2, 1´-2´, 1-2´, і так далі) виникають зсувні

деформації, які приводять до вигину п'єзоелемента (вектор електричного

поля знаходиться під кутом α до вектору поляризації, α≈60°).

Результати вимірювань приведені в табл. 4.5.

119

У цій таблиці в другій графі вказані електроди, до яких підключається

сигнальний вихід генератора, а в третій - електроди, які підключаються до

«нульового» контакту.

Як видно з табл. 4.5, при куті α=0° (схеми 1, 2) у п'єзоелементі

виникають згинальні коливання, причому збільшення кількості електродів,

приводить до збільшення звукового тиску (схема 2).

Згинальні коливання виникають також при α→90° (схеми 3, 4).

Найбільший звуковий тиск створюється при одночасному створенні

електричного поля при α=0° и α→90° (схема 5, 6). Тут необхідно відзначити,

що в цьому випадку має значення фазування відповідної електричної

напруги, полярності електродів п'єзоелемента чи виникаючих деформацій.

Подальше збільшення звукового тиску можливе при використанні

схем з додатковою індуктивністю (варіанти 7, 8 і 9, а також (рис. 4.14) [137,

138].

L1

L2

2,4 1,3

2',4' 1',3'

L1

L2

2,4 1,3

2',4' 1',3'

а б

Рис. 4.14. Схеми підключення додаткових індуктивностей до

циліндричного п'єзоелемента: а - L1 = 0,195 Гн, L2 = 0,224 Гн; б - L1 = 0,2 Гн,

L2 = 0,22 Гн

Обидва варіанти, показані на рис. 4.14, створюють звуковий тиск

111 дБ.

120

Таблиця 4.5. Варіанти підключення п'єзоелемента у формі

порожнистого циліндра

№

Сигнальний

вихід

генератора

«Нульовий»

провід

генератора

f, кГц Cел, нФ L, Гн P, дБ

1 2 2' 4,15 3,68 78,7

2 2+4 2'+4' 4,15 7,19 84

3 2+4 1'+3' 4,15 1,12 60,2

4 2+4 1+3 4,15 1,12 88

5 2+4+1'+3' 2'+4'+1+3 4,15 14,5 89,7

6 1+2+3+4 1'+2'+3'+4' 4,15 14,29 <70

7 2+4 2'+4' 4,15 7,19 0,202 108,5

8 2+4 1+3 4,15 1,12 1,28 101

9 2+4+1'+3' 2'+4'+1+3 4,15 14,5 0,1 112

4.3. Чисельне моделювання п'єзокерамічного перетворювача

Найбільш ефективним методом чисельного моделювання складних

систем є метод кінцевих елементів. Тому на його основі були здійснені

розрахунки п’єзоперетворювача в програмі FEMLAB, COMSOL Multiphysics

(рис. 4.15). Розбиття області на підобласті відбувалося за допомогою

квадратичних трьохосьових елементів сітки. Для моделювання

використовувалася нестаціонарна лінійна модель з частотним типом аналізу

та параметричним вирішувачем Direct (SPOOLES). Загальна форма (PDE)

шаблону математичного рівняння має вид:

fГt

uad

t

uae

2

2

. (4.20)

Вираз (4.20) в COMSOL Multiphysics перетворюється в матричне

рівнянням, і його можна переписати із застосуванням індексів у наступному

вигляді:

121

2

21

,n s

j jij ij ік i

a a kk k q

u ue d Г f

t t x

(4.21)

де і,j = 1, 2 …, n, де n - кількість шуканих функцій і відповідно

кількість рівнянь; Uj - елемент шуканого вектора u, fi

- елемент задаючого

вектора f, eaij, da

ij - матричні елементи квадратних матриць еа і da, які мають

розмірність, рівну n х n розмірності. Співвідношення

1

Sік

kk x

Г

є скалярним

видом s-мірного градієнта і матриці Γ, розмірності n х n.

Рис. 4.15. Просторова кінцево-елементна модель п’єзокерамічного

перетворювача

Для розрахунку потрібно використовувати сполучну матрицю, яка

визначає п’єзоелектричні зв’язки матриці Е, що використовується в напрузі

заряду і формі матеріального рівняння:

Есс Т

Е , (4.22)

де σ - механічне зусилля, ε - деформація, Е - електричне поле

Еластичність матриці СЕ визначається ставленням матриці напружено-

деформованого п’єзоелемента:

Ес , (4.23)

де σ - механічне зусилля, ε - деформація

Матриця відповідності визначає деформаційні співвідношення

матриці SE:

122

Es , (4.24)

де σ - механічне зусилля, ε - деформація

Рис. 4.16. Матриця пружності моделі п’єзокерамічного перетворювача

Далі потрібно зробити аналіз частотного відгуку, який необхідний для

вирішення стаціонарних гармонійних навантажень, що діють на

п’єзокерамічну пластину. Цей тип аналізу можна моделювати за допомогою

демпфування методом Релея-Рітца. Розрахуноки затухаючих коливань

реалізуються в перехідному аналізі з використанням коефіцієнта втрат

демпфування.

Для аналізу частотної характеристики гармонійного навантаження

(рис. 4.12) електроди п’єзоелемента ділять на різні частини, які необхідні для

визначення амплітуди (F) і фази (Ф). Разом вони визначають гармонійне

навантаження амплітуди і фазового зсуву, яке залежить від збудження

кутової частоти ω або частоти збудження F.

)180

)(cos()(

Фчаст FtFF , (4.25)

f 2 . (4.26)

Для аналізу частотного відгуку вибирається стаціонарний нелінійний

вирішувач FREQ. Результат аналізу частотного відгуку є комплексною

залежністю від часу переміщення електричного поля п’єзокерамічного

елемента, яке може бути інтерпретовано як амплітуда uamp або фазовий кут

uphase , де фактичне зміщення в будь-який момент часу є реальною частиною

рішення:

)2cos( phaseamp utfuu . (4.27)

123

АЧХ моделі п’єзокерамічного перетворювача і гармонійне

навантаженя в місці закріплення п’єзокерамічного перетворювача показано

на рис. 4.17

а б

Рис. 4.17. АЧХ моделі п’єзокерамічного перетворювача:

а - гармонійне навантаження; б - навантаження у місці закріплення

п’єзокерамічного перетворювача

4.4. Просторовий електромеханічний зворотний зв'язок

Як відомо, зворотний зв'язок (ЗЗ) дозволяє істотно змінювати

характеристики систем автоматичного регулювання (вхідний і вихідний опір,

постійну часу, динамічні характеристики і так далі). Також широко

використовується ЗЗ і у вимірювальній техніці [139]. Наприклад,

позитивний зворотний зв'язок дозволяє порушити в п'єзодатчиках резонансні

коливання і будувати на цій основі перетворювачі різних фізичних величин.

Негативний зворотний зв'язок у резонансних п'єзодатчиках дає можливість

створити лінійні градації характеристик. Зворотний зв'язок володіє

унікальними властивостями і дозволяє істотно покращувати параметри

вимірювальних пристроїв.

124

З причин того, що вихідна величина п'єзодатчиків (заряд або напруга)

залежить не тільки від механічної дії (сили, тиск, прискорення), тобто

прямого п'єзоефекту, але і від електричної напруги - зворотного п'єзоефекту.

У даній роботі було запропоновано вводити негативний зворотний

зв'язок по допоміжному каналу, який створювався за допомогою додаткової

системи електродів або додаткового п'єзоелемента, що розташовується

планарно або компланарно.

Метод, заснований на застосуванні електромеханічного негативного

зворотного зв'язку, який достатньо ефективний для розширення робочої

смуги частот та збільшення акустичної потужності[2]. У роботах Шарапова

В.М. [52] запропоновано вводити від’ємний зворотний зв'язок (ВЗЗ) за

допомогою додаткових електродів на п'єзоелементі

(монолітний п'єзоелемент) або за допомогою додаткових п'єзоелементів

(біморфні і триморфні ПП).

Схема одного з багатьох варіантів п'єзокерамічного датчика із

зворотним зв'язком, що реалізовує запропонований метод, показана на

рис. 4.18.

Відносну погрішність пристрою, зображеного на рис. 4.19, можна

визначити формулою (4.28) [139]:

1 1

(1 ) ,1 ( ) ( ) 1 ( )

ОС W WW p p W p p

(4.28)

де γW - відносна погрішність ланцюга прямого перетворення,

охопленою ЗЗ.

З цього виразу неважко побачити умову, при якій погрішність

п'єзодатчика з ЗЗ дорівнюватиме нулю, тобто γОС = 0:

1W p p . (4.29)

Можна відзначити, що чутливість датчика при 1W p p

зменшиться удвічі.

125

Рис. 4.18. П’єзокерамічний електроакустичний перетворювач із

зворотним зв'язком

Тут електромеханічний зворотний зв'язок передається завдяки

зворотному п'єзоефекту, і підсумовування сигналів ланцюга прямого

перетворення і зворотного зв'язку відбувається в об'ємі п'єзоелемента.

Датчик, зображений на рис. 4.18, є замкнутою статичною системою

[140] і складається з п'єзоелемента ПЕ, узгоджуючого підсилювача УП і

підсилювача напруги ПН.

На п'єзоелемент нанесені електроди 1, 2, 3 і 4, причому на електрод 1

подається вхідний сигнал з генератора, вихідний сигнал з електроду 2

поступає на підсилювач напруги, електрод 4 підключений до загального

проводу схеми, а електрод 3 - до виходу узгоджуючого підсилювача.

У зв'язку з тим, що електроди можуть розташовуватися на різних

гранях п'єзоелемента, зворотний зв'язок у цьому випадку називається

просторовим.

Передавальна функція такого пристрою має вигляд:

ПН УП

126

1

( )( ) ( ) ,

1 ( ) ( )

ПРОС

ПР

W pW p W p

W p p

(4.30)

де W1(р) - коефіцієнт передачі ланцюгу прямого перетворення, не

охопленою ЗЗ;

WПР(р) - коефіцієнт передачі ланцюгу прямого перетворення,

охопленою ЗЗ;

β(р) - коефіцієнт передачі ланцюгу зворотного зв'язку.

Включення електроакустичного п’єзоперетворювача в коло

зворотного зв'язку призводить до придушення механічного резонансу.

Включення п’єзоперетворювача за схемою домено-дисипативного

перетворювача призводить до повної лінеаризації амплітудно-частотної

характеристики.

а

б

Рис. 4.19. Характеристики схемотехнічної моделі перетворювача з

підсилювачем заряду з п'єзоелементом у колі зворотного зв’язку

операційного підсилювача: а - АЧХ; б - ФЧХ

127

Перехідна характеристика і годографи Найквіста схемотехнічної

моделі представлені на рис. 4.20 Вони показують, що система залишається

стійкою при різних значеннях опору - годограф Найквіста знаходиться в

квадрантах III і IV і не перетинає вісь Re в її негативній частині моделі.

а б

Рис. 4.20. Характеристики стабільності схемотехнічної моделі

перетворювача: а - перехідна характеристика; б - годографи Найквіста

схемотехнічної моделі (1 - R = 1 кОм; 2 - R = 11 кОм; 3 - R = 21 кОм,

4 - R = 31 кОм, 5 - R = 41 кОм)

Рівень вихідної напруги перетворювача можна регулювати за

допомогою величини конденсатора в колі зворотного зв'язку операційного

підсилювача Сзз. Результати теоретичних досліджень (рис. 4.21) показали, що

зі зменшенням значення Сзз вихідна напруга перетворювача зростає.

Рис. 4.21. Вплив величини Сзз на величину вихідної напруги

перетворювача

128

4.5. Висновки до розділу 4

1. Розроблений новий метод проектування перетворювачів -

випромінювачів звуку, суть якого полягає в подачі електричної напруги на

п'єзоелемент так, щоб вектор електричного поля цієї напруги був під кутом α

до вектора поляризації, що приводить до виникнення згинальних коливань,

зниження робочої частоти - 40 кГц, підвищення на 20 дБ (10 раз) рівня

звукового тиску.

2. Розроблені і досліджені схеми збудження перетворювачів -

випромінювачів у вигляді циліндричних п'єзоелементів, що дозволило

збільшити рівень створюваного звукового тиску.

3. Запропонований новий спосіб створення низькочастотних

акустичних коливань за допомогою поліелектродного п'єзоперетворювача.

4. Уперше побудована математична модель на основі

п'єзокерамічного циліндричного поліелектродного п'єзоперетворювача.

5. Уперше виявлений ефект виникнення низькочастотних

акустичних коливань у мономорфних п'єзоелементах.

6. Розроблені нові схеми підключення мономорфних п'єзоелементів,

для створення згинальних коливань, що дозволило на 20-25 дБ збільшити

рівень звукового тиску.

7. Визначено залежність вихідної напруги п'єзоперетворювачів від

величини ємності в ланцюзі зворотного зв'язку операційного підсилювача.

8. Досліджено стійкість п'єзоперетворювача з використанням

критерію Найквіста, яке показало, що п’єзоперетворювач з підсилювачем

заряду і зворотним зв'язком є стійкою системою при будь-якому способі

підключення п'єзоелемента.

Основні наукові результати розділу опубліковані в роботах [107, 108,

133, 137, 135, 140].

129

РОЗДІЛ 5

РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ КОМП’ЮТЕРНОЇ АКУСТИЧНОЇ

ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ

5.1. Визначення діаграми спрямованості акустичної

вимірювальної системи

Для визначення діаграми спрямованості був розроблений стенд для

автоматичного зняття характеристик електроакустичного перетворювача, в

якому був вибраний акустичний спосіб визначення діаграми спрямованості

комп’ютерної вимірювальної системи. Блок - схема стенду представлена на

рис. 5.1.

Основними елементами схеми є персональний комп'ютер (ПК),

акустичний датчик (АД) з прецизійним J-Fet транзистором на виході, система

передачі даних на комп'ютер (СПД). Живлення схеми відбувається від USB-

порту ПК.

Система передачі даних на комп'ютер і управління приводним

пристроєм здійснюється за допомогою мікроконтролера PIС18F2550 через

USB інтерфейс комп'ютера. Прийняті дані обробляються за допомогою

програми LabView 8.2.

Рис. 5.1. Схема стенду для визначення діаграми спрямованості:

1 - ПК; 2 - СПД; 3 - АД; 4 - поворотний пристрій

130

Розроблений акустичний датчик, що використовується в даній

конструкції, представлений на рис. 5.2. Датчик використовується для

вимірювання акустичної потужності до 130 дБ. Головною ланкою даного

датчика є погоджуючий підсилювач (рис. 5.3), в якому відбувається

погодження опору п’єзоелемента з входом схеми обробки сигналу.

Рис. 5.2. Акустичний датчик

Рис. 5.3. Електрична схема погоджуючого підсилювача

Калібрування показань акустичного датчика стенду здійснювалося за

допомогою шумоміра фірми RFT 00024 рис. 5.4.

Рис. 5.4. Шумомір RFT 00024

131

На певній відстані розташовувалося два симетрично закріплених

датчика. Вимірювання акустичної потужності виконувалося на різній висоті від

джерела акустичних коливань. Крок вимірювань складав 20 мм. Далі

проводився аналіз отриманих даних, по результатам яких вносилися зміни в

параметри розробленого датчика.

Загальний вид стенду для дослідження діаграми спрямованості

п’єзокерамічних електроакустичних перетворювачів представлений на

рис. 5.5.

Рис. 5.5. Стенд для дослідження діаграми спрямованості

п’єзокерамічних електроакустичних перетворювачів на базі ПК

У розробленій установці є можливість передачі даних на комп'ютер по

інтерфейсу USB 2.0. Також можливе збереження даних на диск пам'яті, що

знаходиться на макетній платі.

Для управління аналого-цифровим перетворювачем і створення

інтерфейсу програми використовується програма LABVIEW від компанії

National Instruments. Програмування в LABVIEW здійснюється на рівні

функціональних блок-діаграм. Поєднання графічної мови програмування і

132

сучасного компілятора дозволяє значно скоротити час розробки складних

систем при збереженні високої швидкості виконання програм.

Бібліотеки сучасних алгоритмів обробки і аналізу даних

перетворюють LABVIEW на універсальний інструмент створення

інтегрованих систем на базі сучасних комп'ютерів.

Блок-схема програми для аналізу даних, отриманих за допомогою

розробленого стенда представлена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Блок-схема програми для аналізу даних

Меню настройки програми для обробки даних на комп'ютері показано

на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Меню настройки програми для обробки даних на комп'ютері

133

5.2. Покращення характеристик акустичного далекомірного

датчика

Найважливішими завданнями акустичних вимірювальних систем є

концентрована посилка звукових хвиль до контрольованого тіла і

направлений прийом відображених хвиль. Акустичні датчики

застосовуються, як правило, для виявлення перешкод. Вони можуть

використовуватися і в далекомірних системах (що вимірюють відстань між

об'єктом і перешкодою), а також для визначення кута між випромінювачем і

приймачем [141].

Акустичні (ультразвукові) хвилі розповсюджуються в повітрі подібно,

до світла і радіохвиль, але із значно нижчою швидкістю; при цьому, подібно

до радіохвиль, вони мають істотно меншу спрямованість, ніж світло.

Принцип дії акустичних вимірювальних систем заснований на визначенні

відстані до перешкоди шляхом вимірювання часу, що витрачається на його

проходження ультразвуковим сигналом, і перерахунку його на відстань при

відомій швидкості розповсюдження ультразвуку в повітрі. При вимірюванні

відстань між випромінювачем і приймачем порівняно мала, і акустична

хвиля, відображена від перешкоди, уловлюється приймачем у вигляді ехо-

сигналу. Знаючи час розповсюдження сигналу (до перешкоди і назад),

неважко визначити відстань до об'єкту. Швидкість розповсюдження

ультразвуку в повітрі приблизно рівна 344 м/с при 20°С (так само як і звуку);

отже, час T, необхідний для розповсюдження сигналу до об'єкту х (см) і

назад, складе:

6

2

258 10 .

344 10

xT c

(5.1)

На рис. 5.8. а зображується принцип визначення відстані акустичною

вимірювальною системою. Для випромінювача і приймача використаний

один і той же перетворювач - датчик. На рис. 5.8. б приведені тимчасові

134

діаграми сигналів. Пусковий сигнал (старт) визначає момент

випромінювання ультразвукового сигналу. Випромінюється 56 імпульсних

сигналів на одній із чотирьох несучих частот: 60, 57, 53, 50 кГц.

Використання чотирьох несучих частот для роботи приладу викликане

різним ступенем віддзеркалення акустичного (ультразвукового) сигналу від

об'єктів (різної форми і матеріалу) і, як наслідок, нестійким прийомом

відображених ехо-сигналів. Відображена від об'єкту хвиля (штрихові лінії на

рис. 5.8. а) викликають вібрацію мембрани датчика-перетворювача,

ініціюючи в ньому слабкий електричний струм. Після посилення аналоговою

схемою прийнятого сигналу підраховується число імпульсів таймера,

накопичених за відрізок часу до приходу першого ехо-сигналу, і по ним

визначається час.

а

б

Рис. 5.8. Акустичний вимірювальний пристрій: а - структурна схема;

б - тимчасові діаграми роботи

135

Використання ультразвуку в даних системах дозволяє отримати

порівняно високу точність вимірювань, яка зазвичай, порівнюється з

довжиною хвилі ультразвукового сигналу. Так при частоті 40 кГц похибка

визначення відстані до об'єкту складає 8,6 мм. Швидкість розповсюдження

акустичних (ультразвукових) хвиль у повітряному середовищі залежить від

температури повітря (на 0,6 м/с при зміні температури на 1°С), тому навіть

коливання температури повітря стають джерелом виникнення помітних

похибок вимірювань. Однією з причин похибок вимірювань є неідеальність

форми діаграми спрямованості, яка має бічні пелюстки (рис. 5.9), що

приводить до утворення побічних зображень одного і того ж об'єкту.

Відносна Чутливість, дБ

Рис. 5.9. Діаграма спрямованості ультразвукового випромінювача

Характеристики ехо-сигналу істотним чином залежать від форми

поверхні об'єкту відбиття. У випадку, коли відбиваюча ультразвуковий

сигнал поверхня має ідеально дифузійні характеристики, при будь-якому куті

падіння хвилі на цю поверхню існує можливість прийняти ехо-сигнал. Проте,

зазвичай, має місце дзеркальне відображення ультразвуку від поверхні

об'єкту, що ускладнює визначення відстані до похилих поверхонь і стін.

Найбільш сильний прийом ехо-сигналу спостерігається при віддзеркаленні

від виступаючих ділянок поверхні об'єкту. Характеристики ехо-сигналу

залежать також від властивостей матеріалу об'єкту: добре відображають

сигнал тверді предмети; а від звукопоглинаючих матеріалів, таких, як

тканина або губка, ехо-сигнал практично не утворюється.

Для експериментів розроблений електроакустичний перетворювач

(ЕАП), який містить асиметричний біморфний п’єзоелемент (БПЕ) 1, який

136

складається з металевої пластини зі сталі 40Х діаметром 32 і завтовшки 0,15

мм. П’єзоелемент 2 Ø23 і завтовшки 0,2 мм приклеєний до пластини

епоксидним компаундом (рис. 5.10. а) [142]. Діаграма спрямованості

електроакустичного перетворювача по звуковому тиску (рис. 5.10. б)

вимірювалася за допомогою розробленого стенду, який показано на рис 5.1.

а б

Рис. 5.10. Електроакустичний перетворювач: 1 - металева пластина;

2 - п’єзоелемент; а - розміщення в напрямку випромінювання; б - діаграма

спрямованості

Мікрофон розташовувався над зразком на такій відстані, щоб

виконувалася умова перебування його в області сферичного випромінювання

(зона дифракції Фраунгофера) [1]:

2 12r d λ , (5.2)

де d найбільший лінійний розмір перетворювача, λ - довжина хвилі.

Для підвищення рівня звукового тиску запропоновано до БПЕ додати

об'ємний резонатор, що складається з електромеханічної коливальної

системи БПЕ 1 і акустичної (механічної) коливальної системи - об'ємного

резонатора 2 (рис. 5.10. а) навантаженого на внутрішню масу середовища М.

[143, 148].

Коливальна маса середовища М (у грамах) визначається як:

М1 = М2 , (5.3)

М=0,33ρd3, (5.4)

для повітря

М=8·10-4

d3. (5.5)

137

Діаграма спрямованості перетворювача по звуковому тиску показана

на рис. 5.11. б.

а б

Рис. 5.11. Електроакустичний перетворювач: а - з об'ємним

резонатором; б - діаграма спрямованості

З рис. 5.11 видно, що симетрія навантаження перетворювача дозволяє

збільшити рівень вихідного звукового тиску, подавити бічні пелюстки, тим

самим поліпшити геометрію спрямованості ПЕАП.

Для визначення оптимального пучка діаграми спрямованості було

проведено ряд досліджень з різними конструктивними параметрами. Зокрема

на рис. 5.12. а - г, представлені конструкції перетворювачів з різним

діаметром вивідного отвору. Напруга генератора складає Uг=1В.

а

б

в

138

г

Рис. 5.12. Конструкції електроакустичного перетворювача: а - d=4 мм;

б - d= 6мм; в - d=8 мм; г - d=10 мм.

Для виключення попадання сигналів, відбитих від сусідніх

контрольованих елементів, а також для збільшення щільності потоку

відображеної енергії необхідно мати малий діаметр випромінювача, і по

можливості, малий кут розбіжності звукового пучка. Ці дві вимоги

суперечать одина одній, оскільки для зменшення кута розбіжності необхідно

пропорційно збільшувати діаметр випромінювача, а це приводить до

збільшення початкового звукового пучка [144, 145].

Проте існують методи, при яких розміри звукового пучка будуть

мінімальними. Такий ефект можна отримати, застосовуючи як випромінювач

модифікований резонатор Гельмгольца, що складається з біморфного

п’єзоелемента 1 і повітряного резонатора 2, на якому встановлена

резонаторна трубка 3 (рис. 5.13. а), яка просторово орієнтує звуковий пучок

до акустичної вісі. Діаграма спрямованості перетворювача по звуковому

тиску показана на рис. 5.13. б).

а б

Рис. 5.13. Електроакустичний перетворювач: а - з модифікованим

резонатором Гельмгольца; б - діаграма спрямованості

139

Діаметр і довжину трубки розраховують, виходячи з виразів:

0

4

CL

f , (5.6)

20

kC LD

f , (5.7)

де k - числовий коефіцієнт, що враховує відносну зміну звукового

тиску на межі звукової плями; L - довжина трубки резонатора; С0 - швидкість

розповсюдження звуку в повітрі (340 м/с); f - резонансна частота.

У даному експерименті для визначення оптимального пучка діаграми

спрямованості був змінений діаметр і довжина вивідного отвору трубки

резонатора [146].

На рис. 5.14. а - г представлені конструкції перетворювачів із

довжиною трубки резонатора L=10мм., д - з - L=20мм. Напруга генератора

складає Uг=1В.

а

б

в

140

г

д

є

ж

з

Рис. 5.14. Конструкції електроакустичного перетворювача: а - d=4мм,

l=10мм.; б - d=6мм, l=10мм.; в - d=8мм, l=10мм.; г - d=10мм, l=10мм; д -

d=4мм, l=20мм, є - d=6мм, l=20мм; ж - d=8мм, l=20мм; з - d=10мм, l=20мм

141

Акустичні вимірювальні пристрої для прийому сигналів

використовують п’єзокерамічні перетворювачі, які виконують функцію як

передавача, так і приймача. Вельми важливою ланкою є тракт прийому

акустичних (ультразвукових) сигналів, оскільки необхідно зважати на певні

фізичні обмежуючі чинники [147].

Для перевірки працездатності перетворювачів була розроблена і

досліджена схема акустичного вимірювального пристрою рис. 5.15. Схема

побудована на базі персонального комп'ютера і мікроконтолера PIC16F886.

Рис. 5.15. Електрична схема акустичного вимірювального пристрою

Акустичний вимірювальний пристрії генерує посилку на частоті 40

кГц, який складається з 8 ультразвукових імпульсів, які запускають часовий

таймер. Коли відбитий об'єктом імпульс приходить до акустичного датчика,

то він зупиняє роботу таймера. По часовому інтервалу (затримці

відображеного імпульсу) визначається відстань до об'єкту. Час опитування

датчика в режимі прийому сигналу складає 50 мс.

Відстань до об'єкту (перешкоди) обчислюється за формулою (5.8).

L=F/58 , (5.8)

142

де L - відстань у сантиметрах до об'єкту, F - довжина імпульсу в

мікросекундах.

На рис. 5.16, приведена блок-схема розробленого акустично

вимірювального пристрою при рознесеному випромінювачі і приймачі.

а

б

Рис. 5.16. Структурна схема акустично вимірювального пристрою:

а - блок-схема; б - часові діаграми

143

Загальна характеристика спрямованості випромінювача акустичних

вимірювальних пристроїв, що складається з п’єзокерамічних перетворювачів,

які включають випромінювач 1 і приймач 2, показана на рис. 5.17. б. У цьому

випадку під час роботи виникає паралакс у, через який конструкція має зону

нечутливості, що є недоліком [148,149].

2 2

у уLмін tg

, (5.9)

для β≤20°.

а

1

2

y

2β1

2β2

Lмін

б

Рис. 5.17. Електроакустичний перетворювач: а - конструкція;

б - характеристика спрямованості акустичного випромінювача

Перевагою даної конструкції є її простота, а також використання в ній

однотипних електроакустичних перетворювачів. Оскільки дана конструкція

має зону нечутливості, то при встановленні акустичного перетворювача,

потрібно забезпечити таке положення, при якому найменша вимірювана

144

відстань буде трохи перевищувати Lмін . Також необхідно виконати корпус із

двох ідентичних частин - випромінювача і приймача, що дає можливість

використовувати ці частини нарізно.

У деяких акустично вимірювальних системах, що працюють за

розглянутим вище принципом, основною проблемою є забезпечення

потрібної точності вимірювань. Для визначення місцезнаходження об'єкту

необхідно розгортати випромінювач і приймач акустичних хвиль подібно до

того, як це робиться в радіолокаторах, при цьому неідеальність діаграми

спрямованості випромінювача і коливання швидкості розповсюдження

акустичних хвиль помітно знижують точність визначення об'єкту.

Для вирішення цих проблем запропонований інший принцип роботи

акустичного вимірювального пристрою, суть якого зводиться до наступного.

Приймачі ехо-сигналу розташовуються симетрично по обидві сторони

одиночного акустичного випромінювача (рис. 5.18). Усереднення інформації

про місцезнаходження перешкоди, що отримується від кожного приймача,

дозволяє підвищити достовірність і точність визначення положення об'єкту.

При надходженні на приймач R відбитої від об'єкту хвилі, що

випромінюється передавачем Т (розташованим у центрі лінійних антенних

решіток), з різниці часових інтервалів можна визначити r0 + rm. Для двох

довільних приймачів Rm, Rn цих решіток, де r0 - відстань від Т до об'єкту, а Х0,

Y0 - координати, то місцезнаходження об'єкту визначається з наступних

виразів:

2 2 2 2

0 ,2

m n

n m

mn m n d c nt mtr

c mt nt

(5.10)

2 2 2 2

0 ,2

n m m n m n

mn

n m

m t n t d c t t t tX

d mt nt

(5.11)

2 2

0 0 0 ,mn mnY r X (5.12)

145

де с - швидкість звуку, d - відстань між датчиками і приймачами;

t - час розповсюдження сигналу до об’єкту і назад.

Рис. 5.18. Визначення положення об'єкту з підвищеною точністю за

допомогою лінійної матриці ультразвукових приймачів: Т - випромінювач,

R - приймач, Х0, Y0 - координати об'єкту

Аналогічні обчислення можуть бути проведені для будь-яких двох

приймачів з даної решітки. Шляхом усереднювання результатів таких

обчислень для різних поєднань m, n досягається значне підвищення

надійності і точності вимірювання. Згідно одному із способів усереднювання,

як ваговий коефіцієнт була вибрана інтенсивність прийому. По методу

тріангуляції точність вимірювання буде вище, чим більша відстань між

приймачами, тому пропонувалися також способи усереднювання, в яких

ваговим коефіцієнтом була відстань між приймачами.

Пропонується також підвищити точність шляхом поєднання цих двох

способів. Наприклад, Im, In - рівні між собою ехо-сигнали, що приймаються

приймачами Rm, Rn і mn m nI I I .Тоді для вагового коефіцієнта по інтенсивності

прийому Wimn = Imn / ∑ Imn, а для вагового коефіцієнта по інтервалу між

приймачами mn

m nWd

m n

, отримуємо наступні оцінки координат (X0, Y0)

об'єкту з використанням коефіцієнтів р, q (p + q = I):

146

0 0 0 ,imn mn dmn mnX p W X q W X (5.13)

0 0 0 .imn mn dmn mnY p W X q W X (5.14)

Результати порівняння оцінок, отриманих по цих формулах, з

результатами прямих вимірювань для відповідних пар приймачів приведені,

на рис. 5.19, вказують на підвищення ефективності визначення положення

об'єкту до 10 разів (на відстані в 2 м) у порівнянні з існуючими аналогами.

В якості об'єкту був вибраний вертикально стоячий циліндр з дерева

діаметром 20 см і заввишки 30 см. Як видно з рис. 5.19, результати

вимірювань отримані парами приймачів, дають помітний розкид у вимірах,

тоді як усереднення дозволяє набути значень, близьких до істинних, що

призводить до істотного підвищення точності.

Рис. 5.19. Результати оцінки точності визначення місцезнаходження

об'єкту з використанням лінійної матриці ультразвукових приймачів.

● - виміряне розташування об'єкту; - оціночні значення місцезнаходження

об'єкту, отримані в результаті усереднення даних вимірювання; - реальне

місцезнаходження об'єкту

147

5.3. Дослідження частотної характеристики електроакустичного

п’єзокерамічного перетворювача в режимі випромінювання акустичних

(ультразвукових) хвиль

На рис. 5.20 показані результати обчислень різниці електричних

потенціалів 0U на електродних поверхнях п’єзокерамічного диска для

генератора електричних потенціалів із внутрішнім опором ОмRZ гг 50 .

П’єзокерамічний диск виконаний з п’єзокераміки типу ЦТС-19. У розрахунок

закладені наступні параметри п’єзокераміки: ГПаcE 10233 ; 3

0 7400 мкг ;

2

33 18 мКлe ; 033 1500 ; мФ12

0 1085,8 ; добротність п’єзокераміки

80пкQ . Радіус і товщина п’єзокерамічного диска в міліметрах указані в полі

малюнка. Товщина шару погоджуючої рідини мм05,0 . Добротність

рідини (величина обернено пропорційна в'язкості рідини) 5жQ . Ця рідина

має в'язкість приблизно в два рази меншу, ніж у гліцерину. Щільність рідини

31000 мкгж , швидкість звуку - смvж 1500 . При виконанні обчислень

підсумовувалися перші двадцять коренів kq . По осях ординат на рис. 5.20

відраховуються безрозмірні значення різниці електричних потенціалів, тобто

відносини гUU0Re (символ 0ReU означає дійсну частину комплекснозначної

функції 0U ), по осях абсцис - безрозмірне хвильове число . Варійованим

параметром показаного на рис. 5.20 сімейств кривих є відносний акустичний

імпеданс т тилового акустичного навантаження. Числове значення

параметра nт 25,0 , де n - номер кривої, тобто числа 1, 2, …, 5, які

проставлені в полі малюнків біля відповідних кривих.

148

0 2 4 6 8 10 12 0,8

0,9

1,0

2

1

3

4

5

n25,0т

UURe г0

R = 2,5 мм,

= 1,0 мм

0

2

4

6 8

10

12

1,0 UURe г0

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

2 1

3

4

5

n25,0т

R = 5,0 мм,

= 1,0 мм

Рис. 5.20. Частото залежна зміна різниці електричних потенціалів на

електродних поверхнях п’єзокерамічного диска

Представлені на рис. 5.20 графіки показують вплив параметрів

матеріалу тилового акустичного навантаження на характер частото залежної

зміни різниці електричних потенціалів на електродних поверхнях

п’єзокерамічного диска.

Виразно видно, що на тлі монотонного зменшення різниці потенціалів

0U із зростанням частоти або, що те ж саме, із зростанням безрозмірного

хвильового числа , є різкі неоднорідності в колі значень та

3 . Ці неоднорідності обумовлені різкою зміною електричного

імпедансу елZ , які викликані специфічним резонансними явищами в

об'ємі п’єзокерамічного диска, що коливається [150]. Зменшення значень

різниці потенціалів 0U обумовлено тим, що електричний імпеданс

п’єзокерамічного диска носить ємнісний характер. Головна ідея полягає в

тому, що при деяких значеннях відносного акустичного імпедансу ( 1т )

неоднорідності частото залежної зміни різниці електричних потенціалів 0U

істотно зменшуються. Звідси можливий висновок, що вибором матеріалу

149

тилового акустичного навантаження можна здійснювати управління частото

залежною зміною різниці електричних потенціалів на електродних поверхнях

п’єзокерамічного диска і, отже, передавальними характеристиками

п’єзокерамічного перетворювача в цілому. Для п’єзокераміки типу ЦТС

значенню 1т відповідають два матеріали - срібло і латунь. Застосування

металу, як матеріалу для тилового акустичного навантаження, пов’язане з

переглядом стандартних конструктивних рішень, які використовуються при

виготовленні п’єзокерамічних перетворювачів.

Як показали дослідження, тилове акустичне навантаження, яке

називають демпфером, насправді є важливим елементом перетворювача.

Призначення цього елементу - управління і стабілізація частотних

характеристик п’єзокерамічного перетворювача.

На рис. 5.21 показані результати обчислень коефіцієнта

електроакустичного перетворення. Епюри частотно залежної зміни

коефіцієнта , ,емK побудовані для того ж набору параметрів, який був

прийнятий при розрахунку кривих, показаних на рис. 5.20. Радіус

п’єзокерамічного диска 1 .R мм

По осі ординат на рис. 5.21 відраховуються числові значення модуля

коефіцієнта електроакустичного перетворення. По осі абсцис - безрозмірне

хвильове число . Кожна з епюр побудована для фіксованого значення

радіальної координати , яка задається в долях радіусу R п’єзокерамічного

диска. Максимальні значення модуля коефіцієнта електроакустичного

перетворення досить швидко спадають по мірі віддалення від центру ( 0 ).

Для наочності побудови епюр для фіксованих радіусів 1,0R - дві епюри

для 0R и 1,0R винесені на окремий фрагмент рис. 5.21. При 1R

коефіцієнт , , 0емK R . Таким чином, присутність шару погоджуючої

рідини забезпечує додаткові неоднорідності частотної характеристики при

фіксованій радіальній відстані від центру п’єзокерамічного диска та істотної

150

неоднорідністі в радіальному напрямі надмірного тиску на поверхні

акустичного навантаження. Відмічені особливості формування надмірного

тиску на поверхні акустичного навантаження перетворювача, тобто на

поверхні металу не можна нехтувати впливом погоджуючого шару рідини,

котрий впливає на передавальні характеристики п’єзокерамічного

перетворювача.

0,1

0

/R

0

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 1 2 3 4 5 6 0

а)

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

R = 2,5 мм,

= 1,0 мм

ВМПа,,,Kем

0,0R

1,0R

/R = 0 /R = 0,1

120

160

80

40

ВкПа,,,Kем

1 2 3 4 5 6

Рис. 5.21. Частото залежна зміна коефіцієнта електроакустичного

перетворення на різних відстанях від центру електродів механічного

контакту

На рис. 5.22 показаний вплив відносного акустичного імпедансу

тилового акустичного навантаження при частото залежній зміні

усередненого за площею механічного контакту електроакустичного

перетворювача.

Розрахунки виконувалися по формулі:

22 12

210 0

1ˆ ,1 sin

ж

ем

kг k k k

a a kK

i C Z F q k

. (5.19)

151

При обчисленні функції F і при підсумовуванні ряду у формулі

(5.19) використовувалися перші двадцять нулів kq функції Бесселя першого

порядку. Набір параметрів і, зокрема товщина погоджуючого шару, такі ж,

що і при побудові попередніх графіків.

0 1 2 3 4 5 6 0

20

40

60

100

120

0,75

0,50

0,25

1,00

R = 2,5 мм

= 1,0 мм

80

ВкПа,,K̂

0 1 2 3 4 5 6 0

10

20

40

30

ВкПа,,K̂

0,75

0,50 0,25

1,00

R = 5,0 мм

= 1,0 мм

емем

Рис. 5.22. Вплив відносного акустичного імпедансу тилового

акустичного навантаження при частото залежній зміні усередненого за

площею механічного контакту електроакустичного перетворювача.

Знову, як і при порівняльному аналізі графіків, для різниці потенціалів

0U , можна зробити висновок, що при відносному акустичному імпедансі

1т спостерігаються мінімальні неоднорідності частото залежної зміни

усередненого коефіцієнта електроакустичного перетворення. При цьому

розширюється смуга частот, у межах якої спостерігається один і той же

рівень електроакустичного перетворення. Окрім цього, чітко видно, що при

одному і тому ж рівні різниці потенціалів на виході генератора, ефективність

електроакустичного перетворення різко зменшується зі зростанням радіусу

п’єзокерамічного диска. З цього виходить, що п’єзокерамічні перетворювачі,

152

які повинні ефективно працювати в максимально широкій смузі частот,

повинні виготовлятися з п’єзокерамічних дисків мінімального радіусу з

латунним тиловим акустичним навантаженням.

На рис. 5.23 показані результати розрахунків усередненого за площею

механічного контакту коефіцієнта електроакустичного перетворення для

фіксованого по товщині ( мм05,0 ) шару, який утворений різними по

своїй добротності рідинами. Числові значення добротностей рідин

проставлені цифрами біля відповідних кривих. Добре видно, що зміна

добротності, яка обернено пропорційна динамічній в'язкості рідини, в

достатньо широких межах практично не відбивається на ефективності

електроакустичного перетворення.

При 5,0жQ (це в'язкість у два-три рази більша в'язкості гліцерину)

спостерігається мінімальна неоднорідність частотної характеристики. При

цьому можна чекати мінімальної нелінійності фазочастотної характеристики

перетворювача і, як наслідок, мінімальних спотворень форми імпульсних

сигналів із нульовою постійною складовою в частотному спектрі.

0 1 2 3 4 5 6 0

10

20

40

30

ВкПа,,K̂ем

4,0

0,5

2,0

1,0 R = 5,0 мм,

= 1,0 мм, 00,1т

Рис. 5.23. Вплив в'язкості погоджуючої рідини на частото залежну

зміну усередненого коефіцієнта електроакустичного перетворення

153

Показані на рис. 5.23 результати дають підстави для наступного

висновку. Практичне застосування ультразвукового перетворювача

контактного типу припускає використання регламентованої погоджуючої

рідини із стабілізованими в часі фізико-механічними характеристиками.

Якщо не брати до уваги незначне зменшення ширини смуги частот, у

межах якої зберігається однакова ефективність електроакустичного

перетворення, то можна стверджувати, що застосування максимально в'язких

рідин дає позитивний ефект.

На рис. 5.24 показані результати розрахунків усередненого

коефіцієнта електроакустичного перетворювача при різній товщині шару

погоджуючої рідини. Товщина шару в мікрометрах проставлена цифрами

біля відповідних кривих. Добротність рідини 5жQ .

Із представлених результатів виходить очевидний висновок:

необхідно прагнути до мінімальної товщини шару погоджуючої рідини та

забезпечити його стабільність під час роботи п’єзокерамічного

перетворювача.

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 0

ВкПа,,K̂ем

40

100

20

60

R = 5,0 мм,

= 1,0 мм, 00,1т

80

Рис. 5.24. Вплив товщини шару погоджуючої рідини на частото

залежну зміну усередненого коефіцієнта електроакустичного перетворювача

154

Таким чином, так звані елементи конструкції п’єзокерамічного

перетворювача, які традиційно вважалися другорядними, при детальнішому

розгляді набувають ролі елементів, які формують основні передавальні

характеристики перетворювача.

5.5. Висновки до розділу 5

1. Розроблений стенд, який дозволяє проводити дослідження

характеристик п'єзокерамічних перетворювачів, що працюють на частоті до

60 кГц і передавати результати вимірювань на комп'ютер.

2. Отримані теоретичні результати дозволяють по-новому,

раціональніше, здійснювати конструювання п’єзокерамічних

електроакустичних перетворювачів.

3. Слід зазначити, що використання модифікованих резонаторів

Гельмгольца як елементів конструкції, дозволяє подавити бічні пелюстки

електроакустичних перетворювачів для ультразвукових вимірювальних

систем.

4. Проведені експериментальні дослідження діаграм спрямованості

п’єзокерамічних датчиків у схемах ультразвукових далекомірів.

5. Уперше побудована математична модель п’єзокерамічного

перетворювача, яка максимально враховує роль і вплив основних елементів

його конструкції. У цій моделі враховуються внутрішній опір генератора

електричних сигналів і вплив шару погоджуючої рідини.

Основні наукові результати розділу опубліковані в роботах [141, 143,

148, 144].

155

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу,

яка полягає в підвищенні ефективності комп'ютерних акустичних

вимірювальних систем шляхом розробки нових та вдосконалення існуючих

методів та засобів проектування п'єзокерамічних перетворювачів.

Удосконалення та розробка методів проектування п'єзокерамічних

перетворювачів відбувалися за допомогою додаткових елементів, шляхом

використання чвертьхвильових та об'ємних резонаторів, трансформаторної

розв’язки та просторово-кутового зв'язку п’єзоелемента.

1. Уперше розроблений метод проектування п'єзокерамічних

перетворювачів за допомогою додаткових елементів шляхом використання

об'ємних та чвертьхвильових резонаторів із фазоінверторами, що дозволило

розширити смугу пропускання та збільшити акустичну потужність

комп'ютерних акустичних вимірювальних систем на їх основі.

2. Удосконалено метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів

за допомогою додаткових елементів шляхом використання трансформаторної

розв’язки для створення в мономорфних п’єзоелементах згинальних

коливань.

3. Отримав подальший розвиток метод проектування п’єзокерамічних

перетворювачів із урахуванням просторово-кутового зв'язку п'єзоелемента,

зокрема для випромінювачів низькочастотних електроакустичних хвиль на

основі мономорфних п'єзоелементів, для яких було знижено робочу частоту

та підвищено рівень звукового тиску.

4. Удосконалено методи проектування п'єзокерамічних

перетворювачів для комп’ютерних акустичних вимірювальних систем, що

дозволило покращити їх характеристики, зокрема підвищити ефективність

визначення відстані, шляхом використання лінійної матриці ультразвукових

приймачів.

156

5. Врахування просторово енергосилової структури п'єзоелемента

дозволило знизити робочу частоту перетворювачів на 40 кГц та підвищити

в 10 разів рівень звукового тиску. Використання схеми збудження

перетворювачів у вигляді циліндричних п'єзоелементів забезпечило

збільшення рівня звукового тиску на 30 дБ. Використання нових схем

підключення мономорфних п'єзоелементів з трансформаторною розв’язкою

дозволило збільшити в 4 рази згинальні коливання. Використання

чвертьхвильових резонаторів дозволило розширити смугу пропускання на 2

кГц та збільшити акустичну потужність на 20-40 дБ, а використання

додаткового електричного коливального контуру з об'ємним резонатором -

розширити смугу робочих частот на 6 кГц та підвищити рівень звукового

тиску на 28 дБ (у 25 разів). Використання лінійної матриці ультразвукових

приймачів на основі розроблених ПЕАП дозволяє (на відстані в 2 м)

підвищити ефективність визначення відстані до об’єкту до 10 разів.

У результаті роботи розширена науково-технічна база проектування

п’єзокерамічних електроакустичних перетворювачів, що дає можливість

створювати стаціонарні та мобільні акустичні вимірювальні системи з

покращеними характеристиками.

157

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Шарапов В. М. Пьезоэлектрические электроакустические

преобразователи [Текст] / В.М Шарапов, Ж.В. Сотула, Л.Г. Куницкая. -

Черкаси: Вертикаль, 2012. - 255 с. - ISBN 978-966-2256-15-4

2. Шарапов В. М. Электроакустические преобразователи: монография

[Текст] / В.М Шарапов, И.Г. Минаев, Ж.В. Сотула, Л.Г. Куницкая. -

Москва: Техносфера, 2013. - 280 с. - ISBN 978-5-94836-357-8.

3. Глозман И. А. Пьезокерамика [Текст] / И. А. Глозман. - М.: Энергия,

1972. -288 с.

4. Грибовский П. О. Керамические твердые схемы [Текст] / П. О.

Грибовский. - М.: Энергия, 1971. - 448 с.

5. Шарапов В. М. Датчики: справочное пособие [Текст] / В. М. Шарапов,

Е. С. Полищук, Г. Г. Ишанин. - Черкассы: Брама-Украина, 2008 - 1072 с.

6. Дифучин Ю. М. Электромеханические колебания биморфных круглых

пластин [Текст] / Ю. М. Дифучин // Вестник ЧИТИ. - 1998. - № 1. - с. 21.

7. Догадин Н. Б. Основы радиотехники [Текст] / Н. Б. Догадин. - Спб.:

Лань, 2007. - 272 с.

8. Домаркас В. И. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические

преобразователи [Текст] / В. И. Домаркас, Р-Й. Ю. Кажис. - Вильнюс:

Лиентис, 1975. - 258 с.

9. Домаркас В. И. Исследование характеристик направленности

пьезопреобразователей изгибных колебаний [Текст] / В. И. Домаркас, А.

Мажонас, А. Пятраускас // Научные труды учебных заведений

Литовской ССР. - 1983. - № 15. - С. 48-51.

10. Зеленко И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и

поверхностных акустических волнах: Материалы, технология,

конструкция, применение [Текст] / И. Зеленко; пер. с чешск. - М.: Мир,

1990. - 584 с.

158

11. Зернов Н. В. Теория радиотехнических цепей [Текст] / Н. В. Зернов,

В. Г. Карпов. - М.: Энергия, 1965. - 892 с.

12. Кауфман М. Практическое руководство по расчетам схем в

электронике: справочник в 2 т. [Текст] / М. Кауфман, А. Г. Сидман; пер.

с англ. Ф. Н. Покровского. - М.: Энерго-атомиздат, 1993. - Т. 2. - 288 с.

13. Котельников В. А. Основы радиотехники [Текст] / В. А. Котельников,

А. М. Николаев. - М.: Связь и радио, 1950. - Ч. 1. - 372 с.

14. Кудряшов Э. А. Поперечные пьезоэлементы для датчиков силы и

давления [Текст] / Э. А. Кудряшов, В. Е. Магер, Ш. М. Рафиков //

Приборы и системы управления. - 1989. - № 9. - С. 9-10.

15. Кэди У. Пьезоэлектричество и его практическое применение [Текст] / У.

Кэди. - М.: Изд. ин. лит., 1949. - 718 с.

16. Лавриненко В. В. Пьезоэлектрические трансформаторы [Текст]

/ В. В. Лавриненко. - М.: Энергия, 1975. - 112 с.

17. Левшина Е. С. Электрические измерения физических величин:

(Измерительные преобразователи) [Текст] / Е. С. Левшина, П. В.

Новицкий. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

18. Макаров И. М. Линейные автоматические системы [Текст] / И. М.

Макаров, Б. М. Менский. - М.: Машиностроение, 1977. - 464 с.

19. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики [Текст] / В. В. Малов. - М.:

Энергоиздат, 1989. - 272 с.

20. Плужников В. М. Пьезокерамические твердые схемы [Текст]

/ В. М. Плужников, B. C. Семенов. - М.: Энергия, 1971. - 168 с.

21. Пьезокерамические преобразователи [Текст] / под ред. С. И. Пугачева. -

Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.

22. Шарапов В. М . Пьезоэлектрические преобразователи [Текст]: справ.

пособ. / В. М. Шарапов., И. Г. Минаев, Ю. Ю. Бондаренко и др -

Черкассы: ЧГТУ, 2004. - 435 с.

159

23. Андросова В. Г. Пьезоэлектрические резонаторы [Текст]: справочник /

В. Г. Андросова, Е. Г. Бронникова, А. М. Васильев и др. - М.: Радио и

связь, 1992. - 392 с.

24. Плужников В. М. Пьезокерамические твердые схемы [Текст]

/ В. М. Плужников, B. C. Семенов. - М.: Энергия, 1971. - 168 с.

25. Шульга Н. А. Колебания пьезоэлектрических тел [Текст] / Н. А.

Шульга, А. М. Болкисев ; отв. ред. Б. П. Маслов. - Киев: АН УССР, Ин-

т механики, 1990. - 228 с.

26. ГОСТ 13927-68. Материалы пьезокерамические. Типы и марки.

Технические требования [Текст]. - М., 1968. - 129 с.

27. Рудницкий С. И. Колебания дискового биморфного преобразователя

типа металл-пьезокерамика [Текст] / С. И. Рудницкий, В. М. Шарапов,

Н. А. Шульга // Прикладная механика. - 1990.- Т. 26. - № 10.-с.64-72.

28. Дианов Д. Б. Влияние переходных слоев на частотные характеристики

стержневых пьезопреобразователей [Текст] / Д. Б. Дианов, В.

М. Кузьменко // Известия ЛЭТИ. - Л.: Изд-во ЛЭТИ, 1968. - вып. 63. - С.

60-78.

29. Пат. 236108 СССР, B 06 b 1/00. Электроакустический преобразователь

[Текст] / Рудашевский Г.Е., Горбатов А.А.

30. Трофимов А. М. Пьезоэлектрические преобразователи статических

нагрузок [Текст] / А. М. Трофимов. - М.: Машиностроение, 1979. - 95 с.

31. Фрайден Дж. Современные датчики [Текст] : справочник / Дж.

Фрайден. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

32. Исследование и разработка акустических измерителей малых расстояний

в воздушной среде [Текст] / Машонис А.П. // Автореферат диссертации

на соискание ученой степени к.т.н. - Каунас, 1975.

33. Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн

Рэлея и Лэмба в технике [Текст] / Викторов И.А. - М.: Наука, 1966.

160

34. Ультразвук. [Текст] : маленькая энциклопедия / под ред. И. П.

Голяминой. - М.: Сов.энциклопедия, 1979. - 400 с.

35. Физика и техника мощного ультразвука: Физические основы

ультразвуковой технологии [Текст] / под ред. Л. Д. Розенберга. - М.:

Наука, 1970. - 688 с.

36. Павлов Л. Исследование многоволнистости тонких пластин из керамики

титаната бария [Текст] / Павлов Л. - М.: АКИН АН СССР, 1957.

37. Окаба Акихико. Дисковый вибратор изгибных колебаний для

подводного излучателя большой мощности [Текст] / Окаба Акихико,

Кобаяси Кяйити. “Оки денуи дзихо, Oki Rev”, 1970, 36, № 6.

38. Томита Янагути. Пьезоэлектрический приемник [Текст] : Elect.

Commun. Lab. Techn. J., 1959, 7, 5.

39. Шарапов В. М. Методы и средства синтеза анизотропных

пьезоэлектрических преобразователей физических величин (Основы

теории и проектирования) [Текст]: дис. ... доктора техн. наук : 05.13.08

/ Валерий Михайлович Шарапов. - Одесса, 1996. - 380 с.

40. Шарапов В. М. Пьезоэлектрические датчики [Текст] / В. М. Шарапов,

М. П. Мусиенко, Е. В. Шарапова. - М.: Техносфера, 2006. - 632 с.

41. Lyon R. H. Response of an elastic plate to localized driving forces [Текст] :

JASA, 1955, 27, № 2.

42. Шарапов В. М. Расширение рабочего диапазона частот

пьезокерамических преобразователей с обратной связью [Текст]

/ В. М. Шарапов, Ю. Ю. Балковская, М. П. Мусиенко // Вісник ЧДТУ,

2002. - № 2. - С. 80-83.

43. Скрипников Ю. Ф. Колебательный контур [Текст] / под ред. Б. А.

Снедкова. - М: Энергия, 1970 - 128 с.

44. About the effect of expansion of reproduced frequency band by

еlectroacoustic transducer [Текст] / V. Sharapov, M. Мusiyenko, Zh. Sotula

161

[and others] // Ultrasound, 2009. - № 3 (64). - Р. 7-10. - ISSN 1392-2114.

45. Holland R. Design of resonant piezoelectric devices [Текст] / R. Holland,

E. P. EerNisse. - London: Cambridge, MIT Press, 1969. - 857 p.

46. Оnое М. Useful formularize for piezoelectric ceramic resonators [Текст]

/ М. Оnое. - J.Acoust. Soс. Аmеr, 1967. - v. 41. - № 4. - Р. 974.

47. Sharapov V. Piezoceramic sensors [Текст] / V. Sharapov. - Springer, 2011. -

564 p.

48. Cady W. G. The piezoelectric resonator [Текст] / W. G. Cady. - London:

Proc. Inst. Rad. Eng, 1922 - Р. 83-114.

49. Cady W. Piezoelectricity. An introduction to the theory and applications of

electromechanical phenomena an crystals [Текст] / W. Cady. - New York-

London, 1946. - 280 р.

50. Thurston R. N. Effects of electrical and mechanical terminating resistances

on loss and band with according to the conventional equivalent circuit of a

piezoelectric transducer [Текст] / R. N. Thurston. - England: IRE Transact,

on Ultrasonics Eng, 1960. - UE-7 (1). - Р. 16-25.

51. Transducers with piezoelements in schemes of electric filters [Текст] / V.

Sharapov, R. Kazys, A. Vladisauskas [and others] // Ultrasound, 2010. - № 1

(65). - Р. 133-138. - ISSN 1392-2114.

52. Sharapov V. Piezoceramic sensors [Текст] / V. Sharapov. - SpringerVerlag,

2010. - 570 p.

53. Sharapov V. M. Piezo-Electric Electro-Acoustic Transducers [Текст]:

monography / V. M.Sharapov, Zh. V.Sotula, L. G.Kunitskaya - Springer

Verlag. Heidelberg, Dordrecht, London, New York, 2013. - 240 p.

54. Шарапов В. М. Пьезокерамические преобразователи. Новые технологии

проектирования [Текст] / В.М. Шарапов, Ж.В. Сотула // Научно-технич.

журнал «Электроника».- 2012.- №5.- с 96 -102.

162

55. Шарапов В. М. Пьезокерамические трансформаторы и датчики [Текст] /

В.М Шарапов, И.Г. Минаев, Ж.В. Сотула, К.В. Базило, Л.Г. Куницкая. -

Черкассы: Вертикаль, 2010. - 278 с.

56. Sharapov V. M. Investigation of an internal friction in piezoceramic elements

of electro-acoustic transducers [Текст] / V.M. Sharapov, Zh.V. Sotula,

A.Vladisauskas // ISSN 1392-2114 Ultragarsas (Ultrasound). Kaunas:

Technologija. -2011.-№4 (Vol.66) - p. 30-33.

57. Sharapov V. M. The new technologies of piezoceramic sensors synthesis

[Текст] / V.M. Sharapov, Zh.V. Sotula, A.Vladisauskas, P.A. Molchanov //

ISSN 1392-2114 Ultragarsas (Ultrasound). Kaunas: Technologija. -2011.-№3

(Vol.66) - p. 23-27.

58. Sharapov V. M. Methods of synthesis of piezoceramic transducers: spatial

energy force structure of piezoelemtnt [Текст] / V.M. Sharapov, Zh.V.

Sotula, A.Vladisauskas, K.V. Bazilo, L.G. Kunitskaya// ISSN 1392-2114

Ultragarsas (Ultrasound). Kaunas: Technologija. -2009.-№4 (Vol.64) - p. 44-

50.

59. Sharapov V. M. About the effect of expansion of reproduced frequency band

by electroacoustic transducer [Текст] / V.M. Sharapov, Zh.V. Sotula, L.G.

Kunitskaya // ISSN 1392-2114 Ultragarsas (Ultrasound). Kaunas:

Technologija. -2009.-№3 (Vol.64) - p. 7-10.

60. Тюлин В. Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука [Текст] /

Тюлин В. Н. - М.: Наука, 1976.

61. Гринченко В. Т. Механика связанных полей в элементах конструкций.

Т.5. Электроупругость [Текст] / Гринченко В. Т., Улитко А. Ф., Шульга

Н. А. - Киев, Наукова думка, 1989. - 280 с.

62. Національна бібліотека України імені В. І. Вернадського . - Режим

доступу: http://www.nbuv.gov.ua

163

63. Таблицы электрофизических параметров пьезокерамических

материалов [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://avrora-

elma.ru/#catalog

64. Piezoelectric drive electronics [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.piezo.com/prodelect0nav.html

65. Пьезоэлектрические устройства [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.elpapiezo.ru/hydroacoustic.html

66. Piezo cylinder (TUBE) [Електронний ресурс] - Режим доступу:

https://www.americanpiezo.com/standard-products/piezo-tubes.html

67. Piezoelectric Diaphragms [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.murata.com/en-eu/products/sound/diaphragm

68. Piezo Sound Generator (PSG) [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.jlworld.com/website/Technology?OpenForm&CP=PSG

69. Piezo Sound [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.kepo.com

70. Piezoelectric Sensor [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.chinaacoustic.com/en/products.php?tid=119

71. Piezo Elements [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.bestartech.com/products-piezo-elements-c-1_12-l-en.html

72. United States Patent and Trademark Office - An Agency of the Department

of Commerce [Електронний ресурс] - Режим доступу:

http://www.uspto.gov

73. Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент)

[Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.rupto.ru

74. Пьезокерамические элементы [Електронний ресурс] - Режим доступу

http://www.piezopribor.com

75. Conditioning circuit for piezo sensors [Електронний ресурс] - Режим

доступу: http://devices.sapp.org/circuit/piezo/

164

76. Пат. 83101 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Коваленко А.М. - №

u201302972; заяв. 11.03.2013; опубл. 27.08.2013, Бюл. №16.

77. Пат. 82667 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Коваленко А.М, Заїка В.М. - №

u201303002; заяв. 11.03.2013; опубл. 12.08.2013, Бюл. №15.

78. Пат. 82651 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Сотула Ж.В., Коваленко А.М,

Заїка В.М. - № u201303093; заяв. 13.03.2013; опуб. 12.08.2013, Бюл.

№15.

79. Пат. 82661 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Сотула Ж.В. - №

u201303017; заяв. 11.03.2013 ; опубл. 12.08.2013, Бюл. №15.

80. Пат. 83102 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Сотула Ж.В. - №

u201302973; заяв. 11.03.2013; опубл. 27.08.2013, Бюл. №16.

81. Пат. 82663 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Сотула Ж.В., Коваленко А.М,

Заїка В.М. - № u201303015; заяв. 11.03.2013; опубл. 12.08.2013, Бюл.

№15.

82. Шарапов В. М. Повышение уровня звукового давления

электроакустических преобразователей [Текст] / В.М. Шарапов, В.М.

Заика, Ж.В. Сотула, А.М. Коваленко // Вісник Черкаського державного

технологічного університету, 2013. №1 - с. 43 - 46.

83. Giebe Е. Experimental and theoretical investigations of expanding and,

oscillating of the rods and tubes [Текст] / Е. Giebe, Е. Blechschmidt. - Ann.

Phys., 1933. - v. 18. - Р. 417-485.

165

84. Methods of synthesis of piezoceramic transducers [Текст]: spatial energy

force structure of piezoelemеnt / V. Sharapov, A. Vladisauskas, K. Bazilo

[and others] // Ultrasound, 2009. - № 4 (64). - P. 44-50

85. Шарапов В. М. Об одном способе создания низкочастотных

акустических колебаний с помощью пьезокерамического излучателя

[Текст] / В. М. Шарапов, Ж. В. Сотула, Л. Г. Куницкая, К. В. Базило //

Вісник ЧДТУ. - 2010. - №1.

86. Шарапов В. М. Исследование внутреннего трения в пьезокерамических

элементах электроакустических преобразователей [Текст] / В.М.

Шарапов, Ж.В. Сотула, И.Г. Минаев, П.А. Молчанов, В.Г. Савин, И.О.

Моргун // Вісник Черкаського державного технологічного університету.

- 2011. - №2 - с 63-67

87. Островский Л. А. Основы общей теории электроизмерительных

устройств [Текст] / Островский Л.А. - Л.: Энергия, 1971. - 544с.

88. Котельников В. А. Основы радиотехники [Текст] / Котельников В.А. -

М.: Гостехиздат, 1950.

89. Пат. 96838 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Заїка В.М. - № u201407780; заяв. 10.07.2014;

опубл. 25.02.2015, Бюл. №4.

90. Пат. 97752 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Базіло К.В., Петрищев О.М.,

Заїка В.М. - № u201407770; заяв. 10.07.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл.

№7.

91. Пат. 97753 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Петрищев О.М., Сотула Ж.В.,

Заїка В.М. - № u201407771; заяв. 10.07.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл.

№7.

166

92. Пат. 97755 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Базіло К.В., Петрищев О.М.,

Заїка В.М. - № u201407777; заяв. 10.07.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл.

№7.

93. Пат. 97757 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Базіло К.В., Заїка В.М.,

Петрищев О.М. - № u201407782; заяв. 10.07.2014; опубл. 10.04.2015,

Бюл. №7.

94. Фурдуев В. В. Электроакустика [Текст] / В. В. Фурдуев - М.-Л.

Государственное издательство технико-теоретической литературы,

1948. - 515с.

95. Шарапов В. М. Применение объемных воздушных резонаторов в

электроакустических преобразователях [Текст] / В.М. Шарапов, В.М.

Заика, Л.Г. Куницькая, І.М. Пивовар // Вісник Черкаського державного

технологічного університету, 2012. - №1 - с. 43 - 46.

96. Шарапов В. М. Применение объѐмных резонаторов в

пьезокерамических электроакустических преобразователях [Текст] /

В.М. Шарапов, Ж.В. Сотула, А.М. Салогор, В.М. Заика //

Производственно - практический журнал Современная электроника

(Москва). - 2013. - №5 - с. 58 - 60.

97. Пат. 88566 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Салогор А.М., Сотула Ж.В., Заїка

В.М. - № u201310707; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

98. Шарапов В. М. Влияние конструктивных элементов на характеристики

пьезокерамических электроакустических преобразователей [Текст] /

В.М. Шарапов, О.Н. Петрищев, В.М. Заика, Ж.В. Сотула, А.М. Салогор

// Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2013. -

№3 - с. 66 - 69.

167

99. Шарапов В. М. Пьезоэлектрический преобразователь с резонатором

Гельмгольца [Текст] / В.М. Шарапов, А.С. Совлуков, К.В. Базило, Ж.В.

Сотула, В.М. Заика // Научно-технический и производственный журнал

Датчики и системы (Москва). - 2014. - №3 - с. 18 - 21.

100. Zaika V. M. Influence of construction elements on the characteristics of the

piezoceramic transducer [Текст] / V.M. Zaika // Тези II міжнародної

науково - практичної конф. “Інформаційні технології в освіті, науці і

техніці (ІТОНТ 2014)”, 24-26 квітня 2014. Черкаси: - 2014 - с. 40- 41.

101. Евтютов А. П. Инженерные расчеты в гидроакустике [Текст] / Евтютов

А.П., Митько В.Б. - Л.: Судостроение, 1988. - 234 с.

102. Свердлин Г. М. Прикладная гидроакустика [Текст] / Свердлин Г.М. - Л.:

Судостроение, 1976.

103. Смарышев М. Д. Гидроакустические антенны [Текст]: справочник /

Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. - Л.: Судостроение,

1984-300 с.

104. Пат. 87924 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Сотула Ж.В.,

Салогор А.М. - № u201310710; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.02.2014, Бюл.

№4.

105. Пат. 88548 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Сотула Ж.В.,

Салогор А.М. - № u201310683; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл.

№6.

106. Пат. 88551 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Заїка В.М., Сотула Ж.В.,

Салогор А.М. - № u201310686; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл.

№6.

168

107. Шарапов В. М. Улучшение характеристик кольцевого

электроакустического преобразователя [Текст] / В.М. Шарапов, В.Г.

Савин, В.М. Заика, Ж.В. Сотула, А.М. Салогор // Вісник Черкаського

державного технологічного університету, 2013. - №3 - с. 70 - 74.

108. Заика В. М. Улучшения характеристик кольцевого

электроакустического преобразователя [Текст] / В.М. Заика // 10-я

междунар. молод. научно-технической конференции “Современные

проблемы радиотехники и теле-комуникаций (РТ-2014)” 12-17 мая 2014

Севастополь: - 2014 - с. 208.

109. Пат. 88553 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Заїка В.М., Маштапа О.І., Веретільник Д.Ю.,

Гордієнко О.С., Рябошапко А.М., Лосіцький В.В. - № u201310688; заяв.

05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

110. Пат. 88554 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Заїка В.М. - № u201310689; заяв. 05.09.2013;

опубл. 25.03.2014, Бюл. №6

111. Пат. 88555 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Заїка В.М., Маштапа О.І., Петрушко Ю.А. - №

u201310690; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

112. Пат. 88556 Україна, МПКH04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Салогор А.М., Заїка В.М. - № u201310692; заяв.

05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

113. Пат. 88557 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Салогор А.М., Лейко О.Г., Савін В.Г., Петрищев

О.М., Заїка В.М., Петрушко Ю.А. - № u201310693; заяв. 05.09.2013;

опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

169

114. Пат. 88558 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Салогор А.М., Савін В.Г., Лейко О.Г., Петрищев

О.М., Заїка В.М. - № u201310694; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014,

Бюл. №6.

115. Пат. 88563 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Сотула Ж.В., Салогор А.М., Заїка

В.М. - № u201310705; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

116. Пат. 88564 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний пере-

творювач [Текст] / Шарапов В.М, Сотула Ж.В., Салогор А.М., Заїка

В.М. - № u201310706; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

117. Шульга Н. А. Колебания пьезоэлектрических тел [Текст] : Отв. Ред. Б.П.

Маслов; АН УССР. Ин-т механики. / Шульга Н.А., Болкисев А.М. - К.:

Наука. Думка, 1990. - 228 с.

118. Домаркас В. И. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические

преобразователи. [Текст] / Домаркас В.И., Кажис Р.Ю. - Вильнюс:

Лиентис, 1975. 258 с.

119. Пат. 72731 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний пере-

творювач [Текст] / Шарапов В.М., Сотула Ж.В., Куницька Л.Г., Заїка

В.М. - № u201202133; заяв. 24.02.2012; опубл. 27.08.2012; Бюл. № 16.

120. Пат. 72736 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М., Сотула Ж.В., Куницька Л.Г.,

Заїка В.М., Пивовар І.М. - № u201202155; заяв. 24.02.2012; опубл.

27.08.2012; Бюл. № 16.

121. Прудников А. П. Интегралы и ряды. Специальные функции [Текст] /

Прудников А. П., Брычков Ю. А., Маричев О. И - М.: Наука, 1983. – 752

с.

170

122. Шарапов В. М. Расчет динамического напряженно-деформированного

состояния асимметричных биморфных пьезокерамических элементов

[Текст] / В.М. Шарапов, Н.В. Петрищев, Ж.В. Сотула // Вісник

Черкаського державного технологічного університету. - 2013. - №3 - с

48-55

123. Пат. 92319 Україна, МПК H01F 30/00. П’єзокерамічний трансформатор

[Текст] / Шарапов В.М.,Петрищев О.М., Базіло К.В., Заїка В.М -

№ u201402660; заяв. 18.03.2014; опубл. 11.08.2014, Бюл. № 15.

124. Пат. 92321 Україна, МПК H01F 30/00. П’єзокерамічний трансформатор

[Текст] / Шарапов В.М., Петрищев О.М., Сотула Ж.В., Заїка В.М,

Маштапа О.І.- № u201402689; заяв. 18.03.2014; опубл. 11.08.2014, Бюл.

№ 15.

125. Пат. 92322 Україна, МПК H01F 30/00. П’єзокерамічний трансформатор

[Текст] / Заїка В.М, Маштапа О.І. - № u201402690; заяв. 18.03.2014;

опубл. 11.08.2014, Бюл. № 15.

126. Пат. 92323 Україна, МПК H01F 30/00. П’єзокерамічний трансформатор

[Текст] / Заїка В.М - № u201402691; заяв. 18.03.2014; опубл. 11.08.2014,

Бюл. № 15.

127. Пат. 92324 Україна, МПК H01F 30/00. П’єзокерамічний трансформатор

[Текст] / Заїка В.М, Маштапа О.І. - № u201402692; заяв. 18.03.2014;

опубл. 11.08.2014, Бюл. № 15.

128. Пат. 92331 Україна, МПК H01F 30/00. П’єзокерамічний трансформатор

[Текст] / Шарапов В.М.,Петрищев О.М., Савін В.Г., Базіло К.В., Заїка

В.М - № u201402710; заяв. 18.03.2014; опубл. 11.08.2014, Бюл. № 15.

129. Аронов Б. С. О расчете колебаний изгиба пьезокерамических пластин

[Текст] / Б. С Аронов, Л. Б. Никитин // Акустический журнал. Т.27.

Вып.5. 1981. С.660 -696.

171

130. Дідковський В. С. Електроакустичні п’єзокерамічні перетворювачі

(розрахунок, проектування, конструювання) [Текст] / В.С. Дідковський,

О.Г. Лейко, В.Г. Савін - Кіровоград: «Імекс-ЛТД» . - 2006. - 448 с.

131. Гринченко В. Т. Механика связанных полей в элементах конструкций

[Текст] / Гринченко В. Т., Улитко А. Ф., Шульга Н. А. - Киев, Наукова

думка, 1989. - 280 с.

132. Шарапов В. М. Повышение уровня звукового давления низкочастотных

колебаний преобразователей на основе дисковых мономорфных

пьезоэлементов [Текст] / В.М. Шарапов, Ж.В. Сотула, К.В. Базило //

Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2011. -

№4 - с 71-73

133. Lositskyi V. V. Research piezoceramic transformer with oscillating system

of different physical nature [Текст] / V.V. Lositskyi, V.M. Zaika // Тези

доповідей другої міжнародної науково технічної конференції

“Проблеми інформатизації”, 25-26 листопада 2014 р. (Черкаси -

Тольятті). 2014 - с. 41.

134. Шарапов В. М. Методы синтеза пьезоэлектрических преобразователей:

метод добавочных элементов. Индуктивность + емкость [Текст] / В.М.

Шарапов, Ж.В. Сотула, В.Г. Савин, И.О. Моргун, К.В. Базило, А.С.

Ткаченко // Вісник Черкаського державного технологічного

університету. - 2011. - №2 - с 59-62

135. Заика В. М. Влияния пространственно угловой связи на характеристики

пьезопреобразователя [Текст] / В.М. Заика, Бондаренко Ю.Ю. // Третя

міжнародна науково-технічна конференція проблеми інформатизації

12-13 листопада 2015 року (Черкаси - Баку - Бельсько-Бяла - Полтава): -

2015. - с.74.

172

136. Пат. 97754 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний

перетворювач [Текст] / Шарапов В.М, Базіло К.В., Петрищев О.М.,

Заїка В.М. - № u201407775; заяв. 10.07.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл.

№7.

137. Заика В. М. Пьезотрансформатор с колебательными системами

различной физической природы [Текст] / В.М. Заика, Бондаренко Ю.Ю.

// Матеріали науково-технічної конференції Фізика, електроніка,

електротехніка: (ФЕЕ 2015). 20-25 квітня 2015. Суми: - 2015. - с. 152.

138. Пат. 97758 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний пере-

творювач [Текст] / Шарапов В.М, Базіло К.В., Петрищев О.М., Заїка

В.М. - № u201407784; заяв. 10.07.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл. №7.

139. Ультразвук (маленькая энциклопедия) [Текст] / Под ред. И.П.

Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979. - 400 с.

140. Заїка В. М. Схемотехнічне моделювання електроакустичного

перетворювача з п'єзоелементом у колі зворотного зв'язку підсилювача

заряду [Текст] / В.M. Заїка, В.В. Туз // Тези IІI міжнародної науково -

практичної конф. “Інформаційні технології в освіті, науці і техніці

(ІТОНТ 2016)”, 12-14 травня 2016. Черкаси: - 2016 - с. 125- 127.

141. Заїка В. М. Покращення акустичних характеристик п’єзокерамічного

перетворювача для ультразвукових вимірювальних систем [Текст] /

В.М. Заїка // Вісник Хмельницького національного університету, 2014. -

№3 - с. 46 - 49.

142. Кардашов Д. А. Эпоксидный клей. - М.: Химия, 1973.

143. Заика В. М. Улучшение характеристик электроакустических

преобразователей для устройств ультразвуковой дальнометрии [Текст] /

В.М. Заика, К.В. Базило, В.В. Туз, О.И. Маштапа // Науково-

методичний журнал. - Вип. 238. Т. 250. Комп’ютерні технології

(Миколаїв: ЧДУ ім. Петра Могили). - 2014. - с. 54-58.

173

144. Заика В. М. Улучшение акустических характеристик ультразвуковых

измерительных систем [Текст] / В.М. Заика // Матеріали науково-

технічної конференції Фізика, електроніка, електротехніка: (ФЕЕ 2014).

21-26 квітня 2014 Суми: - 2014. - с. 155.

145. Пат. 88565 Україна, МПК H04R 17/00. Електроакустичний пере-

творювач [Текст] / Шарапов В.М, Сотула Ж.В., Салогор А.М., Заїка

В.М. - № u201310707; заяв. 05.09.2013; опубл. 25.03.2014, Бюл. №6.

146. Шарапов В. М. Повышение звуковой мощности электроакустических

пьезокерамических преобразователей [Текст] / В.М. Шарапов, С.А.

Филимонов, В.М. Заика // XIV Міжнародна молодіжна науково-

технічна конференція «Людина і космос», 11-13 квітня 2012. - с. 12.

147. Джагупов Р. Г. Электронные устройства вычислительной техники,

систем контроля и управления [Текст] / Р. Г. Джагупов, А. А. Ерофеев. -

Спб.: Политехника, - 1994. - 608 с.

148. Шарапов В. М. Исследование влияния длины акустического резонатора

на характеристики пьезоэлектрического излучателя [Текст] / В.М.

Шарапов, К.В. Базило, О.И. Маштапа, В.М. Заика // Вісник Черкаського

держ. технологічного університету, 2014. - №4 - с. 30 - 33.

149. Sharapov V. M. Engineering development of piezoceramic scanners on the

basis of trapezoidal bimorph piezoelement [Текст] / Sharapov V.M.,

Filimonov S.A., Bazilo K.V., Sotula Zn. V., Kunitskaya L.G., Zaika V.M. //

Вісник Черкаського державного технологічного університету. Черкаси.

- 2013. - №1 - с. 49 - 42

150. Петрищев О. Н. Гармонические колебания пьезокерамических

элементов [Текст] : Часть 1. / Петрищев О.Н - Киев: Аверс, 2012. - 300 с.

174

ДОДАТОК А

Акти про впровадження результатів дисертаційного дослідження

175

176

177

178

179

ДОДАТОК Б

Лістинг програми роботи стенду для дослідження діаграми

спрямованості

180

#define MX_PIC //Defines for microcontroller #define P18F2550 #define MX_EE #define MX_EE_TYPE3 #define MX_EE_SIZE 256 #define MX_SPI #define MX_SPI_BCB #define MX_SPI_SDI 0 #define MX_SPI_SDO 7 #define MX_SPI_SCK 1 #define MX_UART #define MX_UART_C #define MX_UART_TX 6 #define MX_UART_RX 7 #define MX_I2C #define MX_MI2C #define MX_I2C_B #define MX_I2C_SDA 0 #define MX_I2C_SCL 1 #define MX_PWM #define MX_PWM_CNT 2 #define MX_PWM_TRIS1 trisc #define MX_PWM_1 2 #define MX_PWM_TRIS2 trisc #define MX_PWM_2 1 #define MX_PWM_TRIS2a trisb #define MX_PWM_2a 3 #define MX_USB_TYPE1 //Functions #define MX_CLK_SPEED 19660800 #ifdef _BOOSTC #include <system.h> #endif #ifdef HI_TECH_C #include <pic18.h> #endif //Configuration data #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300000, 0x4 #endif #ifdef _HI_TECH_C //__CONFIG(, ); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300001, 0xc #endif #ifdef _HI_TECH_C __CONFIG(1, 0xc04); #endif #ifdef _BOOSTC

181

#pragma DATA 0x300002, 0x38 #endif #ifdef _HI_TECH_C //__CONFIG(, ); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300003, 0x1e #endif #ifdef _HI_TECH_C __CONFIG(2, 0x1e38); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300004, 0xff #endif #ifdef _HI_TECH_C //__CONFIG(, ); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300005, 0x81 #endif #ifdef _HI_TECH_C __CONFIG(3, 0x81ff); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300006, 0xa0 #endif #ifdef _HI_TECH_C //__CONFIG(, ); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300007, 0xff #endif #ifdef _HI_TECH_C __CONFIG(4, 0xffa0); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300008, 0xf #endif #ifdef _HI_TECH_C //__CONFIG(, ); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x300009, 0xc0 #endif #ifdef _HI_TECH_C __CONFIG(5, 0xc00f); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x30000a, 0xf #endif #ifdef _HI_TECH_C //__CONFIG(, );

182

#endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x30000b, 0xe0 #endif #ifdef _HI_TECH_C __CONFIG(6, 0xe00f); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x30000c, 0xf #endif #ifdef _HI_TECH_C //__CONFIG(, ); #endif #ifdef _BOOSTC #pragma DATA 0x30000d, 0x40 #endif #ifdef _HI_TECH_C __CONFIG(7, 0x400f); #endif //Variable declarations #define FCSZ_S_IN 5 #define FCSZ_COMAND 5 #define FCSZ_S_OUT 5 char FCV_RETVAL; char FCV_S_IN[FCSZ_S_IN]; short FCV_IN; char FCV_K; short FCV_INP; char FCV_COMAND[FCSZ_COMAND]; char FCV_STEP; char FCV_RX_LEN; char FCV_A; char FCV_B; char FCV_S_OUT[FCSZ_S_OUT]; //Defines: /**** Macro Substitutions **** porta = Coil 1 Port Register trisa = Coil 1 Data Direction Register 0 = Coil 1 Pin porta = Coil 2 Port Register trisa = Coil 2 Data Direction Register 1 = Coil 2 Pin porta = Coil 3 Port Register trisa = Coil 3 Data Direction Register 2 = Coil 3 Pin porta = Coil 4 Port Register trisa = Coil 4 Data Direction Register 3 = Coil 4 Pin 1 = Step Type - 0 = half step, 1 = full step (2-2), 2 = wave (1-1) 0 = Motor Type - 0 = bipolar/unipolar +ve, 1 = unipolar -ve 0 = Number of Full Steps Per Revolution 0 = Unused

183

Stepper_131804 = Unique Component Identifier ******************************/ //common defines #define MX_Stepper_131804_PORT1 porta //0 #define MX_Stepper_131804_TRIS1 trisa #define MX_Stepper_131804_PIN1 0 #define MX_Stepper_131804_PORT2 porta //1 #define MX_Stepper_131804_TRIS2 trisa #define MX_Stepper_131804_PIN2 1 #define MX_Stepper_131804_PORT3 porta //2 #define MX_Stepper_131804_TRIS3 trisa #define MX_Stepper_131804_PIN3 2 #define MX_Stepper_131804_PORT4 porta //3 #define MX_Stepper_131804_TRIS4 trisa #define MX_Stepper_131804_PIN4 3 #define MX_Stepper_131804_STEP_TYPE 1 //0 = half step, 1 = full step (2-2), 2 = wave (1-1) #define MX_Stepper_131804_WINDING_TYPE 0 //0 = bipolar/unipolar +ve, 1 = unipolar -ve #if (MX_Stepper_131804_WINDING_TYPE == 2) char Stepper_131804_pattern[8] = {0x06, 0x0e, 0x0a, 0x0b, 0x09, 0x0d, 0x05, 0x07}; #else char Stepper_131804_pattern[8] = {0x09, 0x01, 0x05, 0x04, 0x06, 0x02, 0x0a, 0x08}; #endif #if (MX_Stepper_131804_STEP_TYPE == 0) #define MX_Stepper_131804_INC_STEP 1 #else #define MX_Stepper_131804_INC_STEP 2 #endif char Stepper_131804_phase = 0; char Stepper_131804_enabled = 0; //Stepper(0): //Macro function declarations void FCD_Stepper0_IncrementStep(); void FCD_Stepper0_DecrementStep(); void FCD_Stepper0_EnableMotor(); void FCD_Stepper0_DisableMotor(); //Defines: /**** Macro Substitutions **** portb = D1 Port trisb = D1 Data Direction portb = D2 Port trisb = D2 Data Direction portb = D3 Port trisb = D3 Data Direction portb = D4 Port trisb = D4 Data Direction portb = RS Port trisb = RS Data Direction portb = E Port trisb = E Data Direction 0 = Data 1_Pin 1 = Data 2 Pin

184

2 = Data 3 Pin 3 = Data 4 Pin 4 = RS Pin 5 = Enable Pin 2 = Row Count 16 = Column Count ******************************/ /**** Macro Substitutions **** 0x12BF = Vendor ID 0xF010 = Product ID {40,3,'F',0,'l',0,'o',0,'w',0,'c',0,'o',0,'d',0,'e',0,' ',0,'U',0,'S',0,'B',0,' ',0,'S',0,'e',0,'r',0,'i',0,'a',0,'l',0}; = Device Name {46,3,'M',0,'a',0,'t',0,'r',0,'i',0,'x',0,' ',0,'M',0,'u',0,'l',0,'t',0,'i',0,'m',0,'e',0,'d',0,'i',0,'a',0,' ',0,'L',0,'t',0,'d',0,'.',0}; = Device manufacturer 0 = Version Number A 1 = Version Number B 10 = Enumeration Wait Enable 0 = Enumeration Wait Time 40 = Length of Device Name String 46 = Length of Device Manufacturer String ******************************/ // Component Defines #define MX_VID 0x12BF //Eg 0x04D8 #define MX_PID 0xF010 //Eg 0x000C #define MX_VERSION (1 << 8) + 0 //Eg 0x0200 = 2.0 #define MX_ENUMTIME 10 //Eg 1 - 255 #define MX_ENUMWAIT 0 //Eg 1 or 0 // Device name and manufacturer char MX_USBNAME[40] = {40,3,'F',0,'l',0,'o',0,'w',0,'c',0,'o',0,'d',0,'e',0,' ',0,'U',0,'S',0,'B',0,' ',0,'S',0,'e',0,'r',0,'i',0,'a',0,'l',0}; char MX_USBMFR[46] = {46,3,'M',0,'a',0,'t',0,'r',0,'i',0,'x',0,' ',0,'M',0,'u',0,'l',0,'t',0,'i',0,'m',0,'e',0,'d',0,'i',0,'a',0,' ',0,'L',0,'t',0,'d',0,'.',0}; // Global Defines #define CDC_TX_BUFFER_SIZE 64 #define CDC_RX_BUFFER_SIZE 64 #define CDC_DATA_ENDPOINT 3 #define USB_HIGHEST_EP 3 #define USB_BUS_POWERED #ifdef MX_USB_TYPE1 //2455 Family #define USB_DESCRIPTOR_BASE_ADDRESS 0x400 #define USB_EP0_OUT_ADDR 0x0500 #define USB_EP0_IN_ADDR 0x0508 #define USB_EP2_IN_ADDR 0x0510 #define USB_EP3_OUT_ADDR 0x0518 #define USB_EP3_IN_ADDR 0x0520 #endif #ifdef MX_USB_TYPE2 //2450 Family #define USB_DESCRIPTOR_BASE_ADDRESS 0x400 #define USB_EP0_OUT_ADDR 0x0480 #define USB_EP0_IN_ADDR 0x0488 #define USB_EP2_IN_ADDR 0x0490 #define USB_EP3_OUT_ADDR 0x0498

185

#define USB_EP3_IN_ADDR 0x04A0 #endif #ifdef MX_USB_TYPE3 //14K50 Family #define USB_DESCRIPTOR_BASE_ADDRESS 0x200 #define USB_EP0_OUT_ADDR 0x0280 #define USB_EP0_IN_ADDR 0x0288 #define USB_EP2_IN_ADDR 0x0290 #define USB_EP3_OUT_ADDR 0x0298 #define USB_EP3_IN_ADDR 0x02A0 #endif #ifndef USB_DESCRIPTOR_BASE_ADDRESS #ifdef _BOOSTC #pragma error "Target device does not have USB functionality" #endif #ifdef HI_TECH_C #error Target device does not have USB functionality #endif #endif #define USB_EP0_OUT_SIZE 8 #define USB_EP0_IN_SIZE 8 #define USB_EP2_IN_SIZE 8 #define USB_EP3_OUT_SIZE 8 #define USB_EP3_IN_SIZE 8 #define USB_CALLBACK_ON_SOF #define USB_CALLBACK_ON_DEVICE_CONFIGURED #define USB_CALLBACK_ON_CTRL_CLASS #define USB_EP_DATA_CALLBACK //Serial Number char MX_SERIAL[10] = {10,3,'0',0,'0',0,'0',0,'1',0}; // USB library includes #ifdef _BOOSTC #include <USB/pic_utils.h> #include <USB/pic_usb_buffer_mgt.c> #include <USB/pic_usb.c> #include <USB/usb_cdc_class.c> #include <USB/usb_config_serial.c> #endif #ifdef HI_TECH_C #include "USB/pic_utils.h" #include "USB/pic_usb_buffer_mgt.c" #include "USB/pic_usb.c" #include "USB/usb_cdc_class.c" #include "USB/usb_config_serial.c" #endif // Variable to hold status of the USB connection char CDC_USB_status = 0; // Variable to hold incoming data char CDC_USB_Rx_String[CDC_RX_BUFFER_SIZE]; void usb_device_configured_callback(void) CDC_USB_status = 1; //USBSerial(0): //Macro function declarations void FCD_USBSerial0_configure_system();

186

char FCD_USBSerial0_Initialise_Serial(); char FCD_USBSerial0_SendByte(char byte); char FCD_USBSerial0_SendString(char* String, char MSZ_String); char FCD_USBSerial0_ReadByte(char timeout_ms); void FCD_USBSerial0_ReadString(char* FCR_RETVAL, char FCR_RETVAL_SIZE, char timeout_ms, char length); //Defines: /**** Macro Substitutions **** portc = RTS Port trisc = RTS Data Direction portc = CTS Port trisc = CTS Data Direction 0 = RTS Pin 4 = CTS Pin 1 = UART Selection (0-SW / 1-UART1 / 2-UART2) 0 = Flow Control (0-Off / 1-On) 0 = Debug Enable (0-Off / 1-On) 0 = Echo Enable (0-Off / 1-On) 4 = UART TXSTA Value 127 = UART SPBRG Value RS232_131772 = Unique ID Unused = Bitbanged Receive Port Register Unused = Bitbanged Receive Data Direction Register Unused = Bitbanged Receive Pin Unused = Bitbanged Transmit Pin 37 = Bitbanged BAUD Rate Delay 0 = Timout Selection (0-Legacy / 1-MS Timeout) 0 = Data Size (0-8 bits / 1-9 bits / 2-7 bits & Only available on BitBanged components) 0 = Parity Enable (0-No Parity / 1-Odd Parity / 2-Even Parity) 0 = Legacy Return (0-Legacy mode return 255 / 1-New mode return MSB err flags) Unused = Bitbanged Transmit Port Register Unused = Bitbanged Transmit Data Direction Register ******************************/ #define RS232_131772_RTS_PORT portc #define RS232_131772_RTS_TRIS trisc #define RS232_131772_CTS_PORT portc #define RS232_131772_CTS_TRIS trisc #define RS232_131772_RTS_PIN 0 #define RS232_131772_CTS_PIN 4 #define RS232_131772_UART 1 #define RS232_131772_TOUT 0 #define RS232_131772_DATASIZE 0 #define RS232_131772_PARITY 0 #define RS232_131772_LEGACY_RV 0 #if (0 == 1) #define RS232_131772_HARDWARE #endif #if (0 == 1) #define RS232_131772_DEBUG #endif #if (0 == 1) #define RS232_131772_ECHO

187

#endif #if (RS232_131772_UART == 0) #define RS232_131772_RX_PORT Unused #define RS232_131772_RX_TRIS Unused #define RS232_131772_SW_RX Unused #define RS232_131772_SW_TX Unused #define RS232_131772_SW_BAUD 37 #define RS232_131772_TX_PORT Unused #define RS232_131772_TX_TRIS Unused #else #define RS232_131772_TXSTA_VAL 4 #define RS232_131772_SPBRG_VAL 127 #define RS232_131772_SW_BAUD 0 #endif #if (RS232_131772_LEGACY_RV == 0) #if (RS232_131772_DATASIZE == 1) #ifdef _BOOSTC #pragma error "Chip does not have second UART capability" #endif #ifdef HI_TECH_C #error "Chip does not have second UART capability" #endif #endif #endif #define RS232_131772_STATUS_LOOP 0 #define RS232_131772_STATUS_TIMEOUT 1 #define RS232_131772_STATUS_RXBYTE 2 //RS232(0): //Macro function declarations void FCD_RS2320_SendRS232Char(short nChar); void FCD_RS2320_SendRS232String(char* String, char MSZ_String); short FCD_RS2320_ReceiveRS232Char(short nTimeout); void FCD_RS2320_ReceiveRS232String(char* FCR_RETVAL, char FCR_RETVAL_SIZE, char nTimeout, char NumBytes); void FCD_RS2320_RS232_Delay(char mode); //Defines: /**** Macro Substitutions **** portc = Coil 1 Port Register trisc = Coil 1 Data Direction Register 0 = Coil 1 Pin portc = Coil 2 Port Register trisc = Coil 2 Data Direction Register 1 = Coil 2 Pin portb = Coil 3 Port Register trisb = Coil 3 Data Direction Register 7 = Coil 3 Pin porta = Coil 4 Port Register trisa = Coil 4 Data Direction Register 5 = Coil 4 Pin 1 = Step Type - 0 = half step, 1 = full step (2-2), 2 = wave (1-1) 0 = Motor Type - 0 = bipolar/unipolar +ve, 1 = unipolar -ve 0 = Number of Full Steps Per Revolution 0 = Unused

188

Stepper_656110 = Unique Component Identifier ******************************/ //common defines #define MX_Stepper_656110_PORT1 portc //0 #define MX_Stepper_656110_TRIS1 trisc #define MX_Stepper_656110_PIN1 0 #define MX_Stepper_656110_PORT2 portc //1 #define MX_Stepper_656110_TRIS2 trisc #define MX_Stepper_656110_PIN2 1 #define MX_Stepper_656110_PORT3 portb //2 #define MX_Stepper_656110_TRIS3 trisb #define MX_Stepper_656110_PIN3 7 #define MX_Stepper_656110_PORT4 porta //3 #define MX_Stepper_656110_TRIS4 trisa #define MX_Stepper_656110_PIN4 5 #define MX_Stepper_656110_STEP_TYPE 1 //0 = half step, 1 = full step (2-2), 2 = wave (1-1) #define MX_Stepper_656110_WINDING_TYPE 0 //0 = bipolar/unipolar +ve, 1 = unipolar -ve #if (MX_Stepper_656110_WINDING_TYPE == 2) char Stepper_656110_pattern[8] = {0x06, 0x0e, 0x0a, 0x0b, 0x09, 0x0d, 0x05, 0x07}; #else char Stepper_656110_pattern[8] = {0x09, 0x01, 0x05, 0x04, 0x06, 0x02, 0x0a, 0x08}; #endif #if (MX_Stepper_656110_STEP_TYPE == 0) #define MX_Stepper_656110_INC_STEP 1 #else #define MX_Stepper_656110_INC_STEP 2 #endif char Stepper_656110_phase = 0; char Stepper_656110_enabled = 0; //Stepper(1): //Macro function declarations void FCD_Stepper1_IncrementStep(); void FCD_Stepper1_DecrementStep(); void FCD_Stepper1_EnableMotor(); void FCD_Stepper1_DisableMotor(); //Stepper(0): //Macro implementations void FCD_Stepper0_IncrementStep() char pattern_now; if( Stepper_131804_enabled) Stepper_131804_phase = (Stepper_131804_phase + MX_Stepper_131804_INC_STEP); //increment step #if (MX_Stepper_131804_STEP_TYPE == 1) Stepper_131804_phase &=0x06; //full step, even index #endif #if (MX_Stepper_131804_STEP_TYPE == 2) //full step, odd index Stepper_131804_phase |=0x01; #endif Stepper_131804_phase &= 0x07; pattern_now = Stepper_131804_pattern[Stepper_131804_phase]; if(test_bit(pattern_now, 0)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT1, MX_Stepper_131804_PIN1); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT1, MX_Stepper_131804_PIN1);

189

if(test_bit(pattern_now, 1)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT2, MX_Stepper_131804_PIN2); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT2, MX_Stepper_131804_PIN2); if(test_bit(pattern_now, 2)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT3, MX_Stepper_131804_PIN3); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT3, MX_Stepper_131804_PIN3); if(test_bit(pattern_now, 3)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT4, MX_Stepper_131804_PIN4); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT4, MX_Stepper_131804_PIN4); void FCD_Stepper0_DecrementStep() char pattern_now; if( Stepper_131804_enabled) Stepper_131804_phase = (Stepper_131804_phase - MX_Stepper_131804_INC_STEP); //increment step #if (MX_Stepper_131804_STEP_TYPE == 1) Stepper_131804_phase &=0x06; //full step, even index #endif #if (MX_Stepper_131804_STEP_TYPE == 2) //full step, odd index Stepper_131804_phase |=0x01; #endif Stepper_131804_phase &= 0x07; pattern_now = Stepper_131804_pattern[Stepper_131804_phase]; if(test_bit(pattern_now, 0)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT1, MX_Stepper_131804_PIN1); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT1, MX_Stepper_131804_PIN1); if(test_bit(pattern_now, 1)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT2, MX_Stepper_131804_PIN2); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT2, MX_Stepper_131804_PIN2); if(test_bit(pattern_now, 2)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT3, MX_Stepper_131804_PIN3); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT3, MX_Stepper_131804_PIN3); if(test_bit(pattern_now, 3)) set_bit (MX_Stepper_131804_PORT4, MX_Stepper_131804_PIN4); else clear_bit (MX_Stepper_131804_PORT4, MX_Stepper_131804_PIN4); void FCD_Stepper0_EnableMotor() Stepper_131804_enabled = 1; clear_bit(MX_Stepper_131804_TRIS1, MX_Stepper_131804_PIN1); clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT1, MX_Stepper_131804_PIN1); clear_bit(MX_Stepper_131804_TRIS2, MX_Stepper_131804_PIN2); clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT2, MX_Stepper_131804_PIN2); clear_bit(MX_Stepper_131804_TRIS3, MX_Stepper_131804_PIN3); clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT3, MX_Stepper_131804_PIN3); clear_bit(MX_Stepper_131804_TRIS4, MX_Stepper_131804_PIN4); clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT4, MX_Stepper_131804_PIN4); void FCD_Stepper0_DisableMotor() Stepper_131804_enabled = 0; set_bit(MX_Stepper_131804_TRIS1, MX_Stepper_131804_PIN1); clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT1, MX_Stepper_131804_PIN1); set_bit(MX_Stepper_131804_TRIS2, MX_Stepper_131804_PIN2); clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT2, MX_Stepper_131804_PIN2); set_bit(MX_Stepper_131804_TRIS3, MX_Stepper_131804_PIN3);

190

clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT3, MX_Stepper_131804_PIN3); set_bit(MX_Stepper_131804_TRIS4, MX_Stepper_131804_PIN4); clear_bit(MX_Stepper_131804_PORT4, MX_Stepper_131804_PIN4); //USBSerial(0): //Macro implementations void FCD_USBSerial0_configure_system() kill_interrupts(); // turn off interrupts just in case usb_cdc_setup(); usb_setup(); turn_peripheral_ints_on(); turn_global_ints_on(); char FCD_USBSerial0_Initialise_Serial() uns16 delay_counter; usb_configure_structures(); FCD_USBSerial0_configure_system(); usb_enable_module(); delay_counter = 0; #if MX_ENUMWAIT == 1 while(CDC_USB_status == 0 && delay_counter < 10000) //Wait for USB to startup and enumerate delay_counter = delay_counter + 1; delay_10us(MX_ENUMTIME); //Max wait delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); delay_10us(MX_ENUMTIME); if (CDC_USB_status == 1) return 0; return 0xFF; #else while(CDC_USB_status == 0); #endif return 0; char FCD_USBSerial0_SendByte(char byte) unsigned int timeout = 0; while (usb_cdc_tx_empty() == 0 && timeout < 32000) //Wait for outgoing buffer to empty timeout = timeout + 1; if (timeout == 32000) //Pipeline full or disconnected return 1; usb_cdc_putc(byte); return 0; char FCD_USBSerial0_SendString(char* String, char MSZ_String) unsigned int timeout = 0; while (usb_cdc_tx_empty() == 0 && timeout < 32000) //Wait for outgoing buffer to empty timeout = timeout + 1; if (timeout == 32000) //Pipeline full or disconnecte

191

return 1; usb_cdc_print_str(String); return 0; char FCD_USBSerial0_ReadByte(char timeout_ms) static char position = 0; static char length = 0; char retval = 255; char waitforever = 0; if(timeout_ms == 255) waitforever = 1; if (position == length) // end of local string? position = 0; length = usb_cdc_rx_avail(); // get length of incoming data string while (length == 0 && (timeout_ms || waitforever)) // wait for timeout_ms Wdt_Delay_Ms(1); length = usb_cdc_rx_avail(); // get length of incoming data string timeout_ms = timeout_ms - 1; // decrement timeout_ms if(length == 0) return (retval); // return no data flag 255 / 0xFF usb_ep_get_rx_buffer(length, CDC_USB_Rx_String); // copy data string to local buffer retval = CDC_USB_Rx_String[position]; position = position + 1; return (retval); void FCD_USBSerial0_ReadString(char* FCR_RETVAL, char FCR_RETVAL_SIZE, char timeout_ms, char length) char waitforever = 0; char i; char Rx_Length; if(length > FCR_RETVAL_SIZE) length = FCR_RETVAL_SIZE; if(timeout_ms == 255) waitforever = 1; while (timeout_ms || waitforever) Rx_Length = usb_cdc_rx_avail(); // get length of incoming data string if (Rx_Length) if (Rx_Length > length) Rx_Length = length; usb_ep_get_rx_buffer(Rx_Length, FCR_RETVAL); // copy data string to local buffer if (Rx_Length < length) FCR_RETVAL[Rx_Length] = 0; //Add null character to end of string return; else Wdt_Delay_Ms(1); timeout_ms = timeout_ms - 1; //RS232(0): //Macro implementations void FCD_RS2320_SendRS232Char(short nChar) #if (RS232_131772_UART == 0) char dMask; char idx;

192

char count = 8; #ifdef RS232_131772_HARDWARE //wait until CTS is low while (( RS232_131772_CTS_PORT & (1 << RS232_131772_CTS_PIN) ) != 0); #endif #if(RS232_131772_DATASIZE == 1) count = 9; #endif #if(RS232_131772_DATASIZE == 2) count = 7; #endif clear_bit( RS232_131772_TX_PORT, RS232_131772_SW_TX); // Send Start bit FCD_RS2320_RS232_Delay(0); for (idx = 0; idx < count; idx++) dMask = nChar & 0x01; // Mask off data bit if (dMask) set_bit( RS232_131772_TX_PORT, RS232_131772_SW_TX); else clear_bit( RS232_131772_TX_PORT, RS232_131772_SW_TX); FCD_RS2320_RS232_Delay(0); nChar = nChar >> 1; // Move to next data bit set_bit( RS232_131772_TX_PORT, RS232_131772_SW_TX); // Send Stop bit FCD_RS2320_RS232_Delay(0); #endif #if (RS232_131772_UART == 1) #ifndef MX_UART #ifdef _BOOSTC #pragma error "Chip does not have second UART capability" #endif #ifdef HI_TECH_C #error "Chip does not have second UART capability" #endif #endif st_bit(txsta, TXEN); while (ts_bit(pir1, TXIF) == 0); #ifdef RS232_131772_HARDWARE //wait until CTS is low while (( RS232_131772_CTS_PORT & (1 << RS232_131772_CTS_PIN) ) != 0); #endif #if(RS232_131772_DATASIZE == 1) if (test_bit(nChar, 8)) st_bit(txsta, TX9D); else cr_bit(txsta, TX9D); #endif txreg = nChar; #endif #if (RS232_131772_UART == 2) #ifndef MX_UART2

193

#ifdef _BOOSTC #pragma error "Chip does not have second UART capability" #endif #ifdef HI_TECH_C #error "Chip does not have second UART capability" #endif #endif st_bit(txsta2, TXEN); while (ts_bit(pir3, TX2IF) == 0); #ifdef RS232_131772_HARDWARE //wait until CTS is low while (( RS232_131772_CTS_PORT & (1 << RS232_131772_CTS_PIN) ) != 0); #endif #if( RS232_131772_DATASIZE == 1) if (test_bit(nChar, 8)) st_bit(txsta2, TX9D); else cr_bit(txsta2, TX9D); #endif txreg2 = nChar; #endif void FCD_RS2320_SendRS232String(char* String, char MSZ_String) char idx; for(idx = 0; idx < MSZ_String; idx++) { #ifdef _BOOSTC if (String[idx] == 0) break; else FCD_RS2320_SendRS232Char(String[idx]); #endif #ifdef HI_TECH_ if (*String == 0) break; else FCD_RS2320_SendRS232Char(*String); String++; #endif short FCD_RS2320_ReceiveRS232Char(short nTimeout) char delay1 = 0; char delay2 = 0; char regcheck = 0; char dummy = 0; short retVal = 512; char bWaitForever = 0; char rxStatus = RS232_131772_STATUS_LOOP; char idx; char count = 8; #if ( RS232_131772_LEGACY_RV == 0) retVal = 255; #endif #if ( RS232_131772_UART == 1) #ifndef MX_UART #ifdef _BOOSTC

194

#pragma error "Chip does not have second UART capability" #endif #ifdef HI_TECH_C #error "Chip does not have second UART capability" #endif #endif #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) #ifndef MX_UART2 #ifdef _BOOSTC #pragma error "Chip does not have second UART capability" #endif #ifdef HI_TECH_C #error "Chip does not have second UART capability" #endif #endif #endif #ifdef RS232_131772_HARDWARE //ready to accept data clear_bit( RS232_131772_RTS_PORT, RS232_131772_RTS_PIN); #endif if (nTimeout == 255) bWaitForever = 1; #if ( RS232_131772_UART == 1) st_bit(rcsta, CREN); #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) st_bit(rcsta2, CREN); #endif while (rxStatus == RS232_131772_STATUS_LOOP) if (bWaitForever == 0) //don't wait forever, so do timeout thing... if (nTimeout == 0) rxStatus = RS232_131772_STATUS_TIMEOUT; else if ( RS232_131772_TOUT) delay_us(10); delay1 = delay1 + 1; if(delay1 == 100) nTimeout = nTimeout - 1; delay1 = 0; else //decrement timeout delay1 = delay1 - 1; if (delay1 == 0) nTimeout = nTimeout - 1; #if ( RS232_131772_UART == 0) regcheck = test_bit(RS232_131772_RX_PORT, RS232_131772_SW_RX); //Test for start bit if (regcheck == 0) rxStatus = RS232_131772_STATUS_RXBYTE; #endif

195

#if ( RS232_131772_UART == 1) regcheck = ts_bit(pir1, RCIF); if (regcheck != 0) rxStatus = RS232_131772_STATUS_RXBYTE; #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) regcheck = ts_bit(pir3, RC2IF); if (regcheck != 0) rxStatus = RS232_131772_STATUS_RXBYTE; #endif if (rxStatus == RS232_131772_STATUS_RXBYTE) #if ( RS232_131772_UART > 0) #if ( RS232_131772_UART == 1) regcheck = ts_bit(rcsta, FERR); #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) regcheck = ts_bit(rcsta2, FERR); #endif if (regcheck != 0) #if ( RS232_131772_UART == 1) dummy = rcreg; //need to read the rcreg to clear FERR #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) dummy = rcreg2; //need to read the rcreg to clear FERR #endif #ifdef RS232_131772_DEBUG FCD_RS2320_SendRS232Char('<'); FCD_RS2320_SendRS232Char('F'); FCD_RS2320_SendRS232Char('E'); FCD_RS2320_SendRS232Char('R'); FCD_RS2320_SendRS232Char('R'); FCD_RS2320_SendRS232Char('>'); #endif #if ( RS232_131772_LEGACY_RV == 1) retVal = 0x400; //Framing Error Flag #endif else #if ( RS232_131772_UART == 1) regcheck = ts_bit(rcsta, OERR); #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) regcheck = ts_bit(rcsta2, OERR); #endif if (regcheck != 0) //need to read the rcreg to clear error #if ( RS232_131772_UART == 1) cr_bit(rcsta, CREN); st_bit(rcsta, CREN); #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) cr_bit(rcsta2, CREN); st_bit(rcsta2, CREN);

196

#endif #ifdef RS232_131772_DEBUG FCD_RS2320_SendRS232Char('<'); FCD_RS2320_SendRS232Char('O'); FCD_RS2320_SendRS232Char('E'); FCD_RS2320_SendRS232Char('R'); FCD_RS2320_SendRS232Char('R'); FCD_RS2320_SendRS232Char('>'); #endif #if ( RS232_131772_LEGACY_RV == 1) retVal = 0x800; //Overrun Error Flag #endif else retVal = 0; #if ( RS232_131772_UART == 1) #if( RS232_131772_DATASIZE == 1) if(ts_bit(rcsta, RX9D)); retVal = 0x100; #endif retVal = retVal | rcreg; //no error, so rx byte is valid #endif #if ( RS232_131772_UART == 2) #if( RS232_131772_DATASIZE == 1) if(ts_bit(rcsta2, RX9D)); retVal = 0x100; #endif retVal = retVal | rcreg2; //no error, so rx byte is valid #endif #ifdef RS232_131772_ECHO FCD_RS2320_SendRS232Char(retVal); #endif #else #if( RS232_131772_DATASIZE == 1) count = 9; #endif FCD_RS2320_RS232_Delay(1); for (idx = 0; idx < count; idx++) retVal = retVal >> 1; if(count == 9) if (test_bit( RS232_131772_RX_PORT, RS232_131772_SW_RX)) retVal = retVal | 0x100; else if (test_bit( RS232_131772_RX_PORT, RS232_131772_SW_RX)) retVal = retVal | 0x80; FCD_RS2320_RS232_Delay(1); #ifdef RS232_131772_ECHO FCD_RS2320_SendRS232Char(retVal); #endif #endif #ifdef RS232_131772_HARDWARE

197

//not ready to accept data set_bit( RS232_131772_RTS_PORT, RS232_131772_RTS_PIN); #endif return (retVal); void FCD_RS2320_ReceiveRS232String(char* FCR_RETVAL, char FCR_RETVAL_SIZE, char nTimeout, char NumBytes) char idx; short in; #if ( RS232_131772_LEGACY_RV == 0 ) #define RS232_TO 255 #else #define RS232_TO 256 #endif if (NumBytes > FCR_RETVAL_SIZE) NumBytes = FCR_RETVAL_SIZE; for (idx = 0; idx < NumBytes; idx++) in = FCD_RS2320_ReceiveRS232Char(nTimeout); if(in < RS232_TO) FCR_RETVAL[idx] = in & 0xFF; break; if (idx < FCR_RETVAL_SIZE) FCR_RETVAL[idx] = 0; #undef RS232_TO void FCD_RS2320_RS232_Delay(char mode) unsigned int iterations; unsigned int delay = RS232_131772_SW_BAUD; if (mode) delay = delay + 1; for (iterations = 0; iterations < delay; iterations++); //Stepper(1): //Macro implementations void FCD_Stepper1_IncrementStep() char pattern_now; if( Stepper_656110_enabled) Stepper_656110_phase = (Stepper_656110_phase + MX_Stepper_656110_INC_STEP); //increment step #if (MX_Stepper_656110_STEP_TYPE == 1) Stepper_656110_phase &=0x06; //full step, even index #endif #if (MX_Stepper_656110_STEP_TYPE == 2) //full step, odd index Stepper_656110_phase |=0x01; #endif Stepper_656110_phase &= 0x07; pattern_now = Stepper_656110_pattern[Stepper_656110_phase]; if(test_bit(pattern_now, 0)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT1, MX_Stepper_656110_PIN1); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT1, MX_Stepper_656110_PIN1); if(test_bit(pattern_now, 1)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT2, MX_Stepper_656110_PIN2); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT2, MX_Stepper_656110_PIN2); if(test_bit(pattern_now, 2)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT3, MX_Stepper_656110_PIN3); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT3, MX_Stepper_656110_PIN3);

198

if(test_bit(pattern_now, 3)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT4, MX_Stepper_656110_PIN4); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT4, MX_Stepper_656110_PIN4); void FCD_Stepper1_DecrementStep() char pattern_now; if( Stepper_656110_enabled) Stepper_656110_phase = (Stepper_656110_phase - MX_Stepper_656110_INC_STEP); //increment step #if (MX_Stepper_656110_STEP_TYPE == 1) Stepper_656110_phase &=0x06; //full step, even index #endif #if (MX_Stepper_656110_STEP_TYPE == 2) //full step, odd index Stepper_656110_phase |=0x01; #endif Stepper_656110_phase &= 0x07; pattern_now = Stepper_656110_pattern[Stepper_656110_phase]; if(test_bit(pattern_now, 0)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT1, MX_Stepper_656110_PIN1); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT1, MX_Stepper_656110_PIN1); if(test_bit(pattern_now, 1)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT2, MX_Stepper_656110_PIN2); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT2, MX_Stepper_656110_PIN2); if(test_bit(pattern_now, 2)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT3, MX_Stepper_656110_PIN3); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT3, MX_Stepper_656110_PIN3); if(test_bit(pattern_now, 3)) set_bit (MX_Stepper_656110_PORT4, MX_Stepper_656110_PIN4); else clear_bit (MX_Stepper_656110_PORT4, MX_Stepper_656110_PIN4); void FCD_Stepper1_EnableMotor() Stepper_656110_enabled = 1; clear_bit(MX_Stepper_656110_TRIS1, MX_Stepper_656110_PIN1); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT1, MX_Stepper_656110_PIN1); clear_bit(MX_Stepper_656110_TRIS2, MX_Stepper_656110_PIN2); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT2, MX_Stepper_656110_PIN2); clear_bit(MX_Stepper_656110_TRIS3, MX_Stepper_656110_PIN3); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT3, MX_Stepper_656110_PIN3); clear_bit(MX_Stepper_656110_TRIS4, MX_Stepper_656110_PIN4); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT4, MX_Stepper_656110_PIN4); void FCD_Stepper1_DisableMotor() Stepper_656110_enabled = 0; set_bit(MX_Stepper_656110_TRIS1, MX_Stepper_656110_PIN1); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT1, MX_Stepper_656110_PIN1); set_bit(MX_Stepper_656110_TRIS2, MX_Stepper_656110_PIN2); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT2, MX_Stepper_656110_PIN2); set_bit(MX_Stepper_656110_TRIS3, MX_Stepper_656110_PIN3); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT3, MX_Stepper_656110_PIN3); set_bit(MX_Stepper_656110_TRIS4, MX_Stepper_656110_PIN4); clear_bit(MX_Stepper_656110_PORT4, MX_Stepper_656110_PIN4); //Macro implementations void main() //Initialisation adcon1 = 0x0F;

199

ucfg = 0x08; cr_bit(pie2, USBIE); #if (RS232_131772_UART == 0) set_bit(RS232_131772_RX_TRIS, RS232_131772_SW_RX); // Receive pin is a input clear_bit(RS232_131772_TX_TRIS, RS232_131772_SW_TX); // Transmit pin is a output set_bit(RS232_131772_TX_PORT, RS232_131772_SW_TX); // Transmit pin is default high #endif #if (RS232_131772_UART == 1) txsta = RS232_131772_TXSTA_VAL; // 8-bit, async, low speed, off spbrg = RS232_131772_SPBRG_VAL; // set the baud rate rcsta = 0; // 8-bit, disabled if(RS232_131772_DATASIZE == 1) { st_bit(txsta, TX9); // 9-bit TX st_bit(rcsta, RX9); // 9-bit RX st_bit(rcsta, SPEN); // turn on serial interface #endif #if (RS232_131772_UART == 2) txsta2 = RS232_131772_TXSTA_VAL; // 8-bit, async, low speed, off spbrg2 = RS232_131772_SPBRG_VAL; // set the baud rate rcsta2 = 0; // 8-bit, disabled if(RS232_131772_DATASIZE == 1) st_bit(txsta2, TX9); // 9-bit TX st_bit(rcsta2, RX9); // 9-bit RX st_bit(rcsta2, SPEN); // turn on serial interface #endif #ifdef RS232_131772_HARDWARE set_bit( RS232_131772_CTS_TRIS, RS232_131772_CTS_PIN); //CTS is an input clear_bit( RS232_131772_RTS_TRIS, RS232_131772_RTS_PIN); //RTS is an output set_bit( RS232_131772_RTS_PORT, RS232_131772_RTS_PIN); //not ready to accept data #endif //Call Component Macro USBSerial(0)::Initialise_Serial FCD_USBSerial0_Initialise_Serial(); Stepper(0)::EnableMotor FCD_Stepper0_EnableMotor(); //Call Component Macro Stepper(1)::EnableMotor FCD_Stepper1_EnableMotor(); while (1) //Decision RX_LEN>0? if (FCV_RX_LEN>0) //Call Component Macro

200

COMAND=USBSerial(0)::ReadString(1, 5) FCD_USBSerial0_ReadString(FCV_COMAND, 5, 1, 5); //Decision (COMAND[3] OR COMAND[4]) <> 0? if ((FCV_COMAND[3] | FCV_COMAND[4]) != 0) //Call Component Macro RS232(0)::SendRS232Char(COMAND[0]) FCD_RS2320_SendRS232Char(FCV_COMAND[0]); //Call Component Macro RS232(0)::SendRS232Char(COMAND[3]) FCD_RS2320_SendRS232Char(FCV_COMAND[3]); //Call Component Macro RS232(0)::SendRS232Char(COMAND[4]) FCD_RS2320_SendRS232Char(FCV_COMAND[4]); //Loop While COMAND[1]+COMAND[2] while (1) //Decision COMAND[1]<>0? if (FCV_COMAND[1]!=0) //Decision ((COMAND[0])&1)=1? if (((FCV_COMAND[0])&1)==1) //Call Component Macro Stepper(0)::DecrementStep FCD_Stepper0_DecrementStep(); //Calculation // COMAND[1] = COMAND[1]-1 FCV_COMAND[1] = FCV_COMAND[1]-1; } else { //Call Component Macro Stepper(0)::IncrementStep FCD_Stepper0_IncrementStep(); //Calculation // COMAND[1] = COMAND[1]-1 FCV_COMAND[1] = FCV_COMAND[1]-1; //Decision COMAND[2]<>0? if (FCV_COMAND[2]!=0) //Decision ((COMAND[0])&2)=2? if (((FCV_COMAND[0])&2)==2) //Call Component Macro //?????? ??????????: Stepper(1)::DecrementStep FCD_Stepper1_DecrementStep(); //Calculation //??????????: // COMAND[2] = COMAND[2]-1 FCV_COMAND[2] = FCV_COMAND[2]-1; } else { //Call Component Macro //?????? ??????????: Stepper(1)::IncrementStep

201

FCD_Stepper1_IncrementStep(); //Calculation //??????????: // COMAND[2] = COMAND[2]-1 FCV_COMAND[2] = FCV_COMAND[2]-1; //Delay delay_ms(200); if ((FCV_COMAND[1]+FCV_COMAND[2]) == 0) break; //Calculation // RX_LEN = 0 FCV_RX_LEN = 0; //Calculation // STEP = STEP+1 FCV_STEP = FCV_STEP+1; mainendloop: goto mainendloop; void MX_INTERRUPT_MACRO(void) usb_handle_isr(); FCV_RX_LEN = cdc_rx_end;

202

ДОДАТОК В

Блок-схема програми для аналізу даних на персональному комп’ютері

203