Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Przetworniki Ultradźwiękowe 1 © Waldemar Lis 2005/06 Waldemar Lis Katedra Systemów Elektroniki Morskiej Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Przetworniki Ultradźwiękowe 1 © Waldemar Lis 2005/06 Waldemar Lis Katedra Systemów Elektroniki Morskiej Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki."— Zapis prezentacji:

1 Przetworniki Ultradźwiękowe 1 © Waldemar Lis 2005/06 Waldemar Lis Katedra Systemów Elektroniki Morskiej Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej Przetworniki Ultradźwiękowe

2 2 © Waldemar Lis 2005/06 Anteny hydroakustyczne Anteny - jednowiązkowe, wielowiązkowe Przetworniki anteny (apertura) - nieruchome, ruchome - jednoelementowe, wieloelementowe Apertury - liniowe (prętowe, węże holowane) - płaskie (prostokątne, kołowe, paraboliczne) - cylindryczne (rurkowe, płaskie na powierzchni cylindrycznej)

3 Przetworniki Ultradźwiękowe 3 © Waldemar Lis 2005/06 Konstrukcja systemów akustycznych System - zespół współpracujących urządzeń: –urządzenie nadawcze – nadajnik z anteną promieniującą generator/modulator wzmacniacz mocy układy dopasowujące/formujące wiązkę przetworniki ultradźwiękowe anteny –urządzenie odbiorcze – odbiornik z anteną odbiorczą przetworniki ultradźwiękowe anteny układy dopasowania/formowania wiązek układy wzmacniające z kompresją dynamiki / normowaniem zobrazowanie (monitor, dysplej, indykator/rejestrator)

4 Przetworniki Ultradźwiękowe 4 © Waldemar Lis 2005/06 Zjawisko magnetostrykcji 1832 Marion i Page oraz 1842 Villari i Jolue Zjawisko piezoelektryczne 1880 bracia Piotr i Jacques (Jacek) Curie Pierwsze urządzenia wykorzystujące fale ultradźwiękowe: komunikacyjne pomiędzy okrętami oraz do określania położenia okrętów np. podwodnych, nawigacji, wykrywania i lokalizacji gór lodowych. Urządzenie do wykrywania okrętów podwodnych ASDIC: nazwa od grupy badawczej Anti-Submarine Detection Investigation Committee Pierwsze przetworniki budowano z kwarcu, turmalinu, topazzu lub najczęściej soli Rochellea Seignettea.

5 Przetworniki Ultradźwiękowe 5 © Waldemar Lis 2005/06 W czasie II wojny światowej a w szczególności po niej nastąpił dalszy wzrost techniki ultradźwiękowej. Stwierdzono szerokie możliwości zastosowania ultradźwięków w medycynie (szeroko rozumianej) i technice diagnostycznej co pociągnęło konieczność konstruowania przetworników na coraz wyższe częstotliwości i charakteryzujących się coraz bardziej skomplikowanymi funkcjami jak i lepszymi parametrami. Pojawiły się materiały piezoelektryczne ceramiczne które miały szereg zalet, można z nich było budować przetworniki o różnych kształtach i małych wymiarach a tym samym bardzo przydatne tam gdzie wymagana jest wysoka rozdzielczość np. defektoskopia (pomiary grubości), w medycynie – ultrasonografii itp. Zastosowanie: rybołówstwo, poszukiwania (zwiad) szacowanie militarne: (nawigacja, wykrywanie aktywne, wykrywanie pasywne) przemysłowe: (klejenie, kawitacja – mieszanie, płuczki i układy czyszczące, diagnostyka techniczna – defektoskopia, nasłuch; przemysł motoryzacyjny, przemysł foniczny itp., morskie – badania dna i otoczenia w morzu np. przepływy itp. medyczne (diagnostyka aktywna: fizykoterapia masaże, litotrypsja, chirurgia, stomatologia; diagnostyka pasywna - osłuchiwanie)

6 Przetworniki Ultradźwiękowe 6 © Waldemar Lis 2005/06 Rodzaje przetworników elektrostrykcyjne, magnetostrykcyjne, ferromagnetyczne, kompozyty, PVDF (folia) Zalety i wady przetworników. Piezoelektryczne. Łatwe w tworzeniu dowolnych kształtów, wysoka czułość i sprawność. Wady: wysoka oporność wyjściowa, nieodporne na wilgoć, kruchy materiał (własności typowe dla ceramiki), konieczność zabudowy i hermetyzacji. Piezomagnetyczne. Niska oporność wyjściowa, łatwiejsze w zabudowie, odporne na udary (z umiarem gdyż może ulec depolaryzacji), możliwość generacji dużych mocy. W przypadku przetworników piezoelektrycznych też można generować duże moce – buduje się wówczas specjalne konstrukcje tzw. sandwiche. Wady: trudności z tworzeniem dowolnych kształtów i małych wymiarów – materiały magnetostrykcyjne są trudne w obróbce- dokonuje się tego w hutach. Wycinane są odpowiednie cienkie blaszki z których składa się przetwornik. Blaszki muszą być odseparowane galwanicznie

7 Przetworniki Ultradźwiękowe 7 © Waldemar Lis 2005/06 Polaryzacja przetworników Materiały z trwałą i nietrwałą polaryzacją. Przetworniki niespolaryzowane – mają nieuporządkowane domeny. Przetworniki te charakteryzują się kwadratową charakterystyką nadawczą i nie pracują jako odbiorcze. Krzywa zależności S(E) - histereza. Spolaryzowane - dla małych sygnałów pracują na liniowym odcinku krzywej S(E), Zagrożenia: możliwość depolaryzacji pod wpływem wstrząsów oraz termicznym. Punkt Curie.

8 Przetworniki Ultradźwiękowe 8 © Waldemar Lis 2005/06 Zjawisko elektrostrykcji i magnetostrykcji Własności elektromechaniczne materiału elektrostrykcyjnego (magnetostrykcyjnego) wyrażone są poprzez współczynniki równań elektromechanicznych. Dla przykładu przeanalizowany został przetwornik z materiału piezoelektrycznego w postaci prostopadłościanu. Przetwornik piezoelektryczny poddany naprężeniu T i natężeniu E Zakłada się, że w przetworniku wszystkie wielkości mechaniczne i elektryczne ukierunkowane są wzdłuż jednej osi np. X 3. Można go wówczas opisać dwoma ogólnymi równaniami elektrostrykcyjnymi : (1.1) X1X1 X3X3 X2X2 E T U pole elektryczne naprężenie elektrody

9 Przetworniki Ultradźwiękowe 9 © Waldemar Lis 2005/06 S=S(T,D) E=E(T,D) a po przybliżeniu do pierwszego wyrazu szeregu potęgowego - dla małych sygnałów - równaniami: S=gD+s D T E= T D+gT gdzie: T - naprężenie, E - natężenie pola elektrycznego, D - indukcja elektryczna, S - przesunięcie względne, (D=const) i (T=const), (D= const), (T=const).

10 Przetworniki Ultradźwiękowe 10 © Waldemar Lis 2005/06 Analogiczne definicje można podać dla materiałów magnetostrykcyjnych Najczęściej stosowane współczynniki, wyrażające współzależności elektryczne i mechaniczne z uwzględnieniem ich ukierunkowania, to: dla polaryzacji podłużnej dla polaryzacji poprzecznej D 3 =const, E 3 =const

11 Przetworniki Ultradźwiękowe 11 © Waldemar Lis 2005/06 dx T(x) T(x+dx) A Równanie falowe (z uwzględnieniem zjawiska elektrostrykcyjnego) Ogólnie, równanie falowe opisujące stan dynamiczny bryły wyprowadza się z warunku równowagi sił sprężystości i bezwładności. W najprostszym przypadku jednokierunkowej propagacji (fali płaskiej) można pokazać, że równowaga ta może być opisana następującym równaniem różniczkowym. czyli

12 Przetworniki Ultradźwiękowe 12 © Waldemar Lis 2005/06 Przez dobór odpowiedniej pary równań elektrostrykcyjnych np. dla polaryzacji podłużnej T= c D S- hD E=-hS+ S D albo poprzecznej T= c E S -eE D=-eS+ S E można wyeliminować wpływ czynnika elektrycznego na postać równania falowego - pochodna D (E) po x zeruje się. W rezultacie uzyskuje się równanie falowe w postaci jak dla zwykłej bryły

13 Przetworniki Ultradźwiękowe 13 © Waldemar Lis 2005/06 ośrodek propagacji elektrody ośrodek propagacji przetwornik A - apertura d kierunek propagacji Przetwornik spolaryzowany podłużnie (D nie zależy od X)

14 Przetworniki Ultradźwiękowe 14 © Waldemar Lis 2005/06 elektrody ośrodek propagacji przetwornik d kierunek propagacji w u Przetwornik spolaryzowany poprzecznie (E nie zależy od X)

15 Przetworniki Ultradźwiękowe 15 © Waldemar Lis 2005/06 Rozwiązanie równania falowego dla przebiegu harmonicznego ma postać sumy dwóch fal propagowanej w kierunku x oraz w kierunku –x. j x e -jkx +A 2 e +jkx Po uwzględnieniu faktu, że wychylenie względne S jest pochodną po odległości x, i wstawieniu jej do obu równań elektrostrykcyjnych uzyskuje się następującą parę równań

16 Przetworniki Ultradźwiękowe 16 © Waldemar Lis 2005/06

17 Przetworniki Ultradźwiękowe 17 © Waldemar Lis 2005/06 W celu obliczenia napięcia U na przetworniku należy scałkować E po x wektor przesunięcia D zamieniamy na prąd I wg relacji:

18 Przetworniki Ultradźwiękowe 18 © Waldemar Lis 2005/06

19 Przetworniki Ultradźwiękowe 19 © Waldemar Lis 2005/06 Dla polaryzacji poprzecznej – po dokonaniu analogicznych przekształceń wzory te maja postać jak poniżej:

20 Przetworniki Ultradźwiękowe 20 © Waldemar Lis 2005/06 Z1=Z 1 tgh(jkd/2); Z2=Z 1 tgh(jkd/2); Z12=Z 1 sinh(jkd) =hj /C e

21 Przetworniki Ultradźwiękowe 21 © Waldemar Lis 2005/06 Z1=Z 1 tgh(jkd/2); Z2=Z 1 tgh(jkd/2); Z12=Z 1 sinh(jkd) =we

22 Przetworniki Ultradźwiękowe 22 © Waldemar Lis 2005/06

23 Przetworniki Ultradźwiękowe 23 © Waldemar Lis 2005/06 Dla uproszczonego modelu obciążenia symetrycznego zachodzi:

24 Przetworniki Ultradźwiękowe 24 © Waldemar Lis 2005/06 Przypadek przetwornika nieobciążonego: b=1, ponieważ: (Z 0 =Z 2 =0) b=(Z1-Z 0 )/(Z 1 +Z 0 )

25 Przetworniki Ultradźwiękowe 25 © Waldemar Lis 2005/06 Przypadek przetwornika dopasowanego akustycznie: b=0, ponieważ: (Z 0 =Z 2 =Z 1 ) b=(Z1-Z 0 )/(Z 1 +Z 0 )

26 Przetworniki Ultradźwiękowe 26 © Waldemar Lis 2005/06 X U(t) t

27 Przetworniki Ultradźwiękowe 27 © Waldemar Lis 2005/06

28 Przetworniki Ultradźwiękowe 28 © Waldemar Lis 2005/06 CMCM Y wej RMRM LMLM GEGE CECE

29 Przetworniki Ultradźwiękowe 29 © Waldemar Lis 2005/06 Z wej CmCm LmLm CeCe ReRe RmRm

30 Przetworniki Ultradźwiękowe 30 © Waldemar Lis 2005/06 C R L ogólnie Z=R+jX

31 Przetworniki Ultradźwiękowe 31 © Waldemar Lis 2005/06 R+jX Real(Z) Imag(Z) R

32 Przetworniki Ultradźwiękowe 32 © Waldemar Lis 2005/06 Y=1/Z czyli

33 Przetworniki Ultradźwiękowe 33 © Waldemar Lis 2005/06 Real(Y) Imag(Y) 1/R

34 Przetworniki Ultradźwiękowe 34 © Waldemar Lis 2005/06 C L G ogólnie Y=G+jB

35 Przetworniki Ultradźwiękowe 35 © Waldemar Lis 2005/06 G+jB Real(Y) Imag(Y) G

36 Przetworniki Ultradźwiękowe 36 © Waldemar Lis 2005/06 Z=1/Y czyli

37 Przetworniki Ultradźwiękowe 37 © Waldemar Lis 2005/06 Real(Z) Imag(Z) 1/G

38 Przetworniki Ultradźwiękowe 38 © Waldemar Lis 2005/06

39 Przetworniki Ultradźwiękowe 39 © Waldemar Lis 2005/06 zatem oraz

40 Przetworniki Ultradźwiękowe 40 © Waldemar Lis 2005/06 Szukamy dla której zachodzi : Imag(Z M )=Real(Z M ) zatem czyli

41 Przetworniki Ultradźwiękowe 41 © Waldemar Lis 2005/06 Pa=I 2 R L, U I RLRL R M0 RERE gdzie:

42 Przetworniki Ultradźwiękowe 42 © Waldemar Lis 2005/06

43 Przetworniki Ultradźwiękowe 43 © Waldemar Lis 2005/06 czyli R M0 +R L =R M zatem R L =R M -R M0

44 Przetworniki Ultradźwiękowe 44 © Waldemar Lis 2005/06

45 Przetworniki Ultradźwiękowe 45 © Waldemar Lis 2005/06 UGMGM GEGE Sprawność elektromechaniczna wyraża stopień przemiany energii całkowitej w energię drgań mechanicznych bryły, zatem oblicza się ją z prostego obwodu G E G M jak poniżej P C =U 2 (G E +G M ) oraz P M = U 2 G M czyli

46 Przetworniki Ultradźwiękowe 46 © Waldemar Lis 2005/06 I R M0 RLRL Natomiast, sprawność mechanoakustyczna wyraża stopień przemiany drgań mechanicznych na energię wypromieniowanej fali akustycznej. Słuszny jest zatem, następujący schemat zastępczy: P a = I 2 R L czyli P a =I 2 (R M – R M0 ) natomiast P M =I 2 R M czyli = (R M -R M0 )/R M i ostatecznie


Pobierz ppt "Przetworniki Ultradźwiękowe 1 © Waldemar Lis 2005/06 Waldemar Lis Katedra Systemów Elektroniki Morskiej Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki."

Podobne prezentacje


Reklamy Google