На правах рукописи

Александров Владимир Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СТРУННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ

Специальности:

05.11.14 – «Технология приборостроения»

01.04.01 – «Приборы и методы экспериментальной физики»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск - 2006 2

Работа выполнена в Институте прикладной механики УрО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Михеев Геннадий Михайлович

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, академик РАН Липанов Алексей Матвеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математический наук Ильясов Рустам Сабитович кандидат физико-математический наук Вальшин Алыс Мустафович

Ведущая организация: НКТБ “Пьезоприбор” РГУ (г. Ростов-на-Дону) в 1400 часов

Защита диссертации состоится «10» ноября 2006г.

на заседании регионального диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34, тел. (3412) 50-82-00.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу:

426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С текстом данного автореферата можно ознакомиться в Интернете по следующему адресу: http://www.udman.ru/avtoref.htm

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН.

Автореферат разослан «25» сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию пьезоэлектрических струнных преобразователей движения – пьезоэлектрических двигателей и распылителей жидкости.

Объектом исследования являются пьезоэлектрические движители с упругим волноводом в виде струны и стержня.

Предметом исследования являются модели связанных осцилляторов, их взаимодействие с упругой поверхностью и преобразование механических колебаний звукового и ультразвукового диапазона в направленное движение.

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений современной науки и техники является разработка и внедрение новых методов и средств механизации, автоматизации, роботизации приборостроительного производства. В настоящее время особый интерес представляет развитие микро- и нанотехнологий.

Исследования в данной области связаны с изучением объектов субмикронных размеров. При этом необходимы электромеханические системы, обеспечивающие получение механических смещений в несколько микрон с разрешением десятых долей нанометра. В настоящее время смещения малых величин достигаются с помощью электромеханических преобразователей движения на основе обратного пьезоэлектрического эффекта – пьезоэлектрических приводов или актюаторов.

Обеспечивая перемещение от единиц до сотен микрометров с высокой точностью, они способны развивать усилия до 50 кН и находят применение в различных областях технологии приборостроения (электронной, химической, фармацевтической, автомобильной промышленности). Другие области применения пьезоэлектрических приводов следующие: прецизионная техника – современные пневматические и гидравлические клапаны с быстродействием до 10 мкс;

интеллектуальное управление работой двигателя внутреннего сгорания (предварительный впрыск топлива в двигателях автомобилей и последующее управление аналоговой схемой основного впрыска); системы оптической оптоволоконной линии связи (стыковка и подстройка оптических волокон, волоконных лазеров); прецизионный контроль и точное позиционирование технологического оборудования в различных областях производства и технологии приборостроения; автоюстировка и подстройка лазерных зеркал, интерферометров, приводы для адаптивной оптики; управление и компенсация вибрации станков, транспортных средств (активное демпфирование вибрации рамы самолетов) и т.д.

Пьезоэлектрические элементы, используемые в актюаторах, могут работать также в колебательном режиме при подаче переменного напряжения в звуковом и ультразвуковом интервалах частот. Преобразование этих колебаний в направленное движение позволяет создавать пьезоэлектрические двигатели. Интерес к пьезоэлектрическим двигателям связан с созданием микроэлектромеханических систем, находящих применение в технологии приборостроения в области информационно-вычислительной и цифровой техники. В вычислительной технике микродвигатели могут использоваться в качестве исполнительных механизмов в коммутаторах оптической связи и в ячейках электромеханической памяти, а в цифровой технике – например, для юстировки объективов цифровых фотоаппаратов. Другая область применения пьезоэлектрических двигателей – это подвижные механизмы для микророботов, создававемых для диагностирования различных объектов, например, обшивки самолета. Известны следующие преимущества пьезоэлектрических двигателей перед электромагнитными: широкий диапазон регулировки частот вращения (0 – 300) об/мин; возможность малых, в пределах оборота вала, перемещений (доли угловых секунд); высокий момент на валу; малое энергопотребление; искровзрывобезопасность; большой тормозной момент на валу в обесточенном состоянии; безинерционность; бесшумная работа;

малые масса и габариты.

К пьезоэлектрическим преобразователям движения относятся также пьезоэлектрические микронасосы и распылители. Эти пьезоэлектрические устройства применяются в струйных принтерах, в медицинской аппаратуре для получения аэрозоля лекарств, в ультразвуковых увлажнителях воздуха, в зольгелевой технологии получения оптически активных пленок для различных целей.

Таким образом, дальнейшие исследования новых методов преобразования колебаний в направленное движение с применением пьезоэлектрических преобразователей и разработка на их основе принципиально новых устройств и приборов является актуальной задачей.

Цель работы – исследование преобразования возбужденных пьезоэлементом колебаний струны в направленное движение для разработки пьезоэлектрических струнных движителей, применимых в различных областях технологии приборостроения и экспериментальной физики.

В связи с этим перед диссертантом были поставлены следующие задачи:

1. Обоснование на низкочастотных моделях принципов преобразования колебаний в направленное движение.

2. Исследование влияния поперечных колебаний струны на эффект транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического 3. Исследование взаимодействия с поверхностью струны упругой подвески в виде стержневого волновода, возбуждаемого пьезоэлектрическим 4. Исследование взаимодействия возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны с жидкостью.

5. Разработка, изготовление и испытание различных вариантов макетов пьезоэлектрических струнных двигателей и распылителей жидкости.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические обоснования и экспериментальные подтверждения проведенных исследований и полученных результатов. Работа выполнялась с применением физического моделирования. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин, статистические методы обработки результатов исследования, а так же методы научного эксперимента.

Достоверность результатов исследований и работоспособность созданных устройств подтверждена в серии физических экспериментов. Обоснование теоретических утверждений выполнено с опорой на известные физические методы.

Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем:

1. Обнаружен эффект транспортирования по струне подвешенного пьезоэлектрического осциллятора при его возбуждении колебаниями звуковой и ультразвуковой частоты.

2. Показано, что при низких частотах колебаний (до 2 кГц) пьезоэлемента его движение происходит только вблизи участков струны, на которых возникают узлы стоячих поперечных волн в струне.

3. При звуковых и ультразвуковых частотах колебаний свыше 2 кГц движение пьезоэлектрического осциллятора по струне обусловлено взаимно перпендикулярными колебаниями участка подвески в месте ее контакта с поверхностью струны. Максимальная скорость движения пьезоэлемента с подвеской по струне достигается при разности фаз /4 поперечной составляющей изгибных и продольных колебаний подвески, возбуждаемых пьезоэлементом из-за остаточной кривизны подвески.

4. Обнаружено волновое транспортирование и распыление жидкости струной, возбуждаемой пьезоэлектрическим осциллятором ударным воздействием.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные пьезоэлектрические струнные линейные двигатели и двигатель вращения с реверсивным движением могут быть использованы в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. Разработанный пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости может быть использован для распыления различных жидкостей в технологических процессах, лекарственных препаратов, получения мелкодисперсных порошков различных сплавов.

Положения, выносимые на защиту 1. Подвешенный на струне пьезоэлектрический осциллятор может двигаться с постоянной скоростью при возбуждении его электрическими колебаниями звуковой и ультразвуковой частоты. При этом направлением и скоростью его движения можно управлять настройкой частоты возбуждающих колебаний.

2. Механизмами движения пьезоэлектрического осциллятора по струне являются вибрационное движение по поверхности возбужденной струны и фрикционное преобразование в направленное движение резонансных взаимно перпендикулярных изгибных и продольных колебаний в стержневой подвеске, возникающих из-за ее остаточной кривизны.

3. Максимальная скорость движения пьезоэлектрического осциллятора с подвеской по струне достигается при разности фаз /4 поперечной составляющей изгибных и продольных колебаний участка подвески в месте ее контакта с поверхностью струны.

4. Взаимодействие ротора с поверхностью стержневого волновода, возбужденного установленным в его торце пьезоэлементом при резонансных частотах колебаний волновода, приводит к вращательному движению ротора.

Реверсивное движение ротора можно обеспечить за счет изменения частоты напряжения, подаваемого на пьезоэлемент.

5. Частичное погружение резонансно возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны приводит к волновому транспортированию и распылению жидкости при совпадении уровня ее открытой поверхности с участком струны, приходящимся на четверть длины стоячей поперечной волны от ее узла.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VI Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 2004); VIII Международной учебно-методической конференции “Современный физический практикум” (Москва, 2004); III Научно-практическая конференция “Проблемы механики и материаловедения” (к 15-летию ИПМ УрО РАН) (Ижевск, 2006).

Публикации. Материалы диссертационной работы отражены в научных изданиях. Общее число публикаций – 15, в том числе: 5 патентов РФ на изобретение, статьи в рецензируемых журналах – 4, статьи в сборниках – 1, депонированные рукописи – 1, статьи в научно-популярных журналах – 1, тезисы докладов конференций – 3.

Личный вклад. Теоретические и экспериментальные результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и анализ результатов экспериментов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего источника. Работа изложена на 149 страницах, содержит 80 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы исследования, формулировку целей и задач, раскрывает структуру работы.

В первой главе “Пьезоэлектрические преобразователи движения” дан обзор исследований и разработок пьезоэлектрических преобразователей движения, основанных на пьезоэлектрическом эффекте. Описан пьезоэлектрический эффект, а также технология изготовления пьезоэлектрических элементов. Рассмотрены конструкции различных пьезоэлектрических преобразователей движения [Л1] – пьезоприводов, пьезоэлектрических двигателей [Л2] и ультразвуковых распылителей жидкости, приведены их характеристики. Показано, что пьезоэлектрические приводы и двигатели как преобразователи движения обладают уникальными качествами для применения в различных областях науки и техники, таких как робототехника, вычислительная и цифровая техника, нано- и микроэлектронная технология и т.д. Возможность получения движения со смещениями в диапазоне от долей нанометра до десятков микрометров делает их привлекательными для разработки устройств микроэлектромеханических систем.

Впервые разработку различных движителей с применением пьезоэффекта – волновых насосов, распылителей жидкости, коммутаторов – осуществили под руководством К.М.Рагульскиса, а описание пьезоэлектрических двигателей в СССР сделали В.В.Лавриненко, И.А.Карташев, В.С.Вишневский в книге “Пьезоэлектрические давигатели”. В настоящее время наилучшими пьезоэлектрическими двигателями являются пьезоэлектрические моторы, разработанные С.Ф.Петренко. Эти моторы могут использоваться в различных микроманипуляторах с шагом до 1 нм, а также в перистальтических насосах.

Несмотря на достаточно большое количество схем пьезоэлектрических двигателей, их разработка является актуальной из-за простоты конструкции и возможности работы в широком диапазоне звуковых и ультразвуковых частот.

Пьезоэлектрические распылители как преобразователи движения представляют интерес в связи с их применением в технологии приборостроения. Они используются в ингаляторах для распыления лекарственных препаратов, увлажнителях воздуха, в золь-гелевой технологии получения оптически активных пленок и т.д.

Во второй главе “Низкочастотные модели преобразователей движения” представлены принципы преобразования механических колебаний в направленное движение.

Упругое тело может рассматриваться модельно как система связанных осцилляторов. В такой системе возможно возбуждение как свободных, так и вынужденных колебаний. Преобразование колебаний системы в однонаправленное движение происходит, когда на один из осцилляторов системы за время одного из полупериодов колебаний системы действует внешняя сила и осциллятор фиксируется в неподвижном состоянии [1]. Рассмотрены случаи изменения скачком за период колебаний системы этой силы, действующей на один из осцилляторов, а также последовательно на каждый из осцилляторов (см. вставки на рис. 1).

Рис. 1. Зависимости смещения осцилляторов m1, m2 (1, 2) и их центра масс (3) от времени t для модели упругого тела при изменении состояния подвижности одного из осцилляторов за период колебаний (а) и при последовательном изменении состояния подвижности каждого из осцилляторов (б).

Показано, что механическая система может перемещаться при этом с некоторой скоростью, совершая определенное смещение за каждый период колебаний.

Средние скорости движения системы для этих случаев определяются выражениями где m1 и m2 – массы осцилляторов системы, x31 и x32 - амплитуды их колебаний, f – частота колебаний механической системы. Перемещение осцилляторов и их центра масс в пространстве за счет преобразования колебаний в направленное движение показаны на рис. 1.

Рис. 2. Платформа с маятником.

колебаний груза маятника 40 мм и частоте колебаний 3 Гц средняя скорость движения платформы составляет 0,1 м/c.

В четвертом параграфе второй главы проведен анализ изменения силы трения упругого тела с горизонтальной поверхностью при его гармонических колебаниях вдоль вертикальной линии как функции силы нормального давления FН тела на поверхность. При достаточно больших амплитудах и частотах колебаний упругого тела в виде системы из двух осцилляторов в интервале фаз колебаний 2 < < 2 контакт системы с поверхностью отсутствует и сила нормального давления FН = 0 (рис. 3). При = 3 2 нижний осциллятор меняет направление своего движения (к поверхности) и через определенное время t имеет импульс Рис. 3. Зависимость давления тела FН на горизонтальную воздействием и сопровождается поверхность от фазы его колебаний, скачкообразным изменением силы перпендикулярных к поверхности, когда амплитуда вынуждающей силы значительно нормального давления FН. Разность фаз превышает силу тяжести тела.

фаз, когда FН =0 и = (2n + 1 2 ) (2n + 3 2 ) составляет < 2 и может иметь значение 4. Сила трения тела с поверхностью возникает при колебаниях по поверхности и прямо пропорциональна силе нормального давления, поэтому она изменяется вместе с колебаниями в вертикальном направлении.

Следовательно, чтобы получить направленное движение упругого тела, в котором одновременно возбуждены взаимно перпендикулярные колебания одинаковой частоты, необходимо условие сдвига фаз этих колебаний на величину, близкую к значению = 4.

Рис. 4. Траектория движения части тела при взаимно перпендикулярных колебаниях с разностью фаз /4 (а); возможные траектории движения взаимодействующей с поверхностью части тела при его взаимно перпендикулярных колебаниях (б); движение тела по поверхности в зависимости от разности фаз его взаимно перпендикулярных колебаний (в).

Траектория движения части тела, совершающей взаимно перпендикулярные колебания с амплитудами A и A одинаковой частоты с разностью фаз = показана на рис. 4а. При взаимодействии с поверхностью движение возможно только по части этой траектории, зависящей от амплитуды и частоты колебаний (рис. 4б), при котором продольное смещение имеет направленный характер.

Направление движения упругого тела по поверхности можно изменять, выбирая необходимую разность фаз взаимно перпендикулярных колебаний (рис. 4в).

Проведенный анализ преобразования колебаний в направленное движение подтверждается экспериментально движением с постоянной скоростью по поверхности стола электромеханического устройства, установленного на упругой подушке из поролона, подробно описанного в конце третьего параграфа второй главы.

В этой же главе рассмотрена возможность инерционного преобразования колебаний в направленное движение (см. рис. 5). Возникновение пульсирующей направленной силы изгибными колебаниями экспериментально осуществляется с помощью упругой плоской пружины, частично вставленной горизонтально с минимальным зазором в отверстиях неподвижной подставки. При возбуждении изгибных колебаний на свободной части плоская пружина движется в сторону конца, совершающего колебания. Эффект значительно усиливается после прикрепления груза на колеблющийся конец плоской пружины, а стрелка динамометра, прикрепленного к другому концу пружины, показывает возбуждаемую при этом продольную силу.

На участки стержня из-за их криволинейного движения при изгибных колебаниях стержня действует сила, направленная вдоль стержня и прямо Рис. 5. Возникновение продольной силы при рассматриваться в виде вращательных колебаниях груза (1) на свободном конце плоской пружины (2), установленной на колебаний тела по дуге окружности в подставке с отверстиями (3), где 4 - плоскости колебаний стержня. Показано, динамометр.

частотой изгибных колебаний стержня центробежная сила инерции, которая направлена вдоль стержня и имеет постоянную и переменную составляющие:

где m – масса тела, y0 – амплитуда его поперечных колебаний, l – длина стержня, – частота изгибных колебаний стержня.

При изгибных колебаниях с большой амплитудой расстояние между защемленным и свободным концом стержня периодически изменяется, поэтому траектория движения тела на свободном конце стержня отличается от дуги окружности. При этом в стержне одновременно возбуждаются взаимно перпендикулярные изгибные и продольные колебания, частоты которых отличаются друг от друга в два раза, а начальная разность фаз составляет 2.

В третьей главе “Пьезоэлектрические двигатели на основе эффекта транспортирования по струне пьезоэлектрического осциллятора” представлены результаты исследования механизма движения пьезоэлектрического осциллятора с подвеской по струне, а также описаны разработанные и изготовленные макеты пьезоэлектрических двигателей с реверсивным движением.

Подвешенный на струне пьезоэлектрический осциллятор представляет собой упругое тело, аналогичное рассмотренному в гл. 2. В соответствии с полученными результатами, экспериментально показано, что свободно подвешенный на горизонтально расположенной металлической струне с помощью упругой подвески пьезоэлемент при подаче на него переменного электрического напряжения определенной частоты движется по струне с постоянной скоростью [2,3].

Исследования эффекта транспортирования по струне проводились на устройстве, состоящем из горизонтально натянутой металлической струны и свободно Рис. 6. Схема эксперимента для наблюдения эффекта транспортирования по струне.

частот на подвешенный пьезоэлемент подавалось через тонкие гибкие провода, его частота фиксировалась с помощью частотомера. Амплитуды и формы электрических напряжений на подвешенном и закрепленном на струне пьезоэлементах сравнивались с помощью двухканального осциллографа.

транспортирования по струне амплитуда колебаний на неподвижном пьезоэлементе возрастает, частота его колебаний совпадает с частотой колебаний подвижного пьезоэлемента, а разность фаз колебаний на пьезоэлементах составляет /4.

Изменение направления движения или остановку пьезоэлемента можно осуществить за счет изменения частоты его колебаний с помощью ручки настройки генератора.

Для определения несущей способности к пьезоэлементу прикреплялся груз весом 10 г (рис.7). Усилие, создаваемое пьезоэлементом для перемещения груза, составляло (50 – 70) мН. Было показано, что пьезоэлемент при ультразвуковых частотах его возбуждения около 100 кГц может двигаться по струне с достаточно большой скоростью (400 – 500) мм/c.

Эффект транспортирования по струне подвешенного пьезоэлемента наблюдается и в том случае, когда пьезоэлемент подключен вместо конденсатора в релаксационном генераторе с симметричным диодным тиристором. На основе Рис. 7. Движение пьезоэлектрического Рис. 8. Возбуждение искрового разряда осциллятора с грузом по струне. разрывными колебаниями подвески принципа работы релаксационного генератора с пьезоэлементом предложен полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель [4].

Пьезоэлектрический осциллятор при эффекте транспортирования оказывает ударное воздействие на струну. Это подтверждается импульсными сигналами от закрепленного на струне пьезоэлемента и искровым разрядом, возникающим в месте контакта подвески и струны при ее подсоединении к общему проводу и свидетельствующим о наличии разрывных колебаний подвески относительно поверхности струны (рис.8).

Ударное взаимодействие струны и пьезоэлектрического осциллятора с подвеской вызывает одновременно колебания струны и подвески, что может быть использовано для разработки линейного двигателя [5]. Реализация этой идеи описана во втором параграфе главы 3. Исследовался пьезоэлектрический вибрационный линейный реверсивный двигатель, содержащий в качестве статора горизонтально натянутую в корпусе 1 металлическую струну 2 и в качестве якоря – свободно подвешенный на струне пьезоэлектрический осциллятор 3 (рис. 9).

Горизонтально расположенная рабочая часть струны опирается за выступы 5 в концах корпуса двигателя. Расстояние между выступами определяет длину струны как резонатора и составляет 0,6 м. Двигатель оснащен динамометром 6 с погрешностью измерения ±2% и позволяет изменять натяжение струны регулятором натяжения 7. Якорь двигателя представляет собой пьезоэлектрический осциллятор, составленный из двух пьезоэлементов типа ЗП-4 общей массой 610-3 кг и установленный на струне с помощью припаянной к нему одним концом и загнутым другим концом подвески 4 длиной 45 мм из материала струны. Синусоидальное электрическое напряжение амплитудой 30 В на осциллятор подается от генератора звуковой частоты через усилитель мощности с помощью гибких проводов толщиной 0,08 мм. Возбуждение пьезоэлектрического осциллятора осуществляли в диапазоне низких частот (0,1 – 2) кГц, включающих резонансные частоты колебаний струны при ее натяжениях F=50, 75, 80, 90 и 100 Н [6].

Колебания в различных участках струны фиксировались оптическим теневым методом [7] (рис. 10). Для этого перпендикулярно плоскости колебаний на поверхность края струны 1 фокусировался луч полупроводникового лазера линзой 3. При колебаниях струны лазер освещал светочувствительную поверхность Рис. 9. Пьезоэлектрический вибрационный Рис. 10. Схема лазерной регистрации линейный движитель: 1 – корпус, 2 – струна, колебаний струны: 1 – струна, 4 – подвеска, 5 – выступы, 6 – динамометр, 3 – фокусирующая линза, 4 – фотодиод, установленного за струной фотодиода 4, электрический сигнал от которого подавался на второй канал осциллографа 5 для сравнения с колебаниями пьезоэлектрического осциллятора. Такая схема позволяла измерять амплитуду поперечных колебаний с чувствительностью 1 мкм. В экспериментах максимальная амплитуда поперечных колебаний струны достигала 0,5 мм.

Основные соотношения для расчетов определялись из условия, что поперечные колебания распространяются по струне в виде упругих волн, скорость которых v = (F S ), где F – натяжение струны, – плотность материала и S – площадь поперечного сечения струны.

Исследования, представленные во втором параграфе гл.3, показали, что вибрационное движение пьезоэлектрического осциллятора с подвеской по струне с небольшой скоростью (1 – 2) мм/с наблюдается при его возбуждении на низких частотах только на отдельных участках струны протяженностью не более 20 мм.

При фиксированных частотах колебаний осциллятора существует несколько участков вибрационного движения на поверхности струны, координаты центров которых располагаются на струне симметрично относительно ее центра.

Распределение этих участков на струне при натяжении F = 50 Н показано на рисунке 11.

С изменением частоты участки вибрационного движения на струне смещаются, однако вблизи концов струны движение наблюдается при любых частотах. Это позволяет управлять положением пьезоэлектрического осциллятора на струне плавным изменением частоты его колебаний. Измерения амплитуды и частоты колебаний струны оптическим методом показали, что в условиях вибрационного движения осциллятора по струне максимальная амплитуда поперечных колебаний струны наблюдается на ее участках между осциллятором и концами струны. При этом в некоторых случаях различные участки струны могут колебаться на двух разных частотах f осц и nf осц, где f осц – частота колебаний осциллятора, n =1, 2, 3… При возбуждении струны с частотой ее собственных колебаний на ее длине укладывается целое число стоячих волн, длина которых ст может быть выражена через параметры струны и частоту cобственных колебаний f n :

Основная частота собственных колебаний струны длиной L равна остальные частоты образуют последовательность f n = nf 1.

Возбуждение стоячих поперечных волн в струне возможно и в том случае, когда источник колебаний находится на других участках струны, находящихся на некотором расстоянии x от одного из концов струны. При этом частота колебаний источника f осц и его положение на струне x определяется семейством кривых (рис.12), удовлетворяющих уравнениям Из рисунка 12 видно, что точки пересечения указанных кривых приходятся на частоты колебаний осциллятора, равные частотам собственных колебаний струны f осц = f n. В это же время эти точки соответствуют узлам стоячих волн при собственных колебаниях струны. Колебания всех участков струны при этом происходят с одинаковой частотой и на всей ее длине укладывается целое число длин стоячих волн. В том случае, когда f осц f n, колебания различных участков струны могут происходить с разными частотами f осц и nf осц. При этом на различных участках струны возбуждаются стоячие волны разной длины ст = v 2 f осц и 1ст = v 2nf осц, для которых выполняется соотношение:

lст + m1ст L, где l и m – целые числа.

Рис.11. Распределение участков вибрационного Рис.12. Кривые распределения узлов движения пьезоэлектрического осциллятора на стоячих поперечных волн на струне при их струне при натяжении F = 50 Н. возбуждении подвижным осциллятором.

Проведенный анализ и расчеты для всех значений натяжения струны показали, что зарегистрированные координаты центров участков вибрационного движения пьезоэлектрического осциллятора по струне с погрешностью не более 0.5% принадлежат кривым, представленным на рис. 12. Это позволило сделать вывод о том, что вибрационное движение осциллятора по струне происходит на ее участках вблизи концов струны и узлов стоячих поперечных волн, возбуждаемых осциллятором в струне. При нахождении источника вне этих участков колебания струны могут демпфировать удар и амплитуда колебаний источника относительно поверхности струны уменьшается, что приводит к прекращению вибрационного движения источника по струне.

пьезоэлектрического осциллятора дополнительно установленные тела на поверхности струны совершают движения, приближаясь к осциллятору или удаляясь от него так, что между пьезоэлектрическим осциллятором и телом возникает эффективное “притяжение” или “отталкивание” посредством колебаний струны. Эти явления возникают при возбуждении стоячих волн в струне, при этом пьезоэлектрический осциллятор с подвеской и дополнительно установленное на струне тело перемещаются к местам расположения узлов стоячих волн в струне.

В третьем параграфе главы 3 представлены результаты дальнейших исследований эффекта транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического осциллятора. Показано, что при возбуждении осциллятора в области ультразвуковых частот его движение по струне не зависит ни от длины, ни от натяжения или материала струны. Установлено изменение частоты возникновения эффекта транспортирования по струне после изменения параметров подвески (длины, радиуса кривизны изгиба). Показана возможность вращения с постоянной угловой скоростью проволочного кольца на жестко закрепленном стержне с пьезоэлементом при определенной частоте его колебаний [8]. На основе этих экспериментов сделан вывод о том, что эффект транспортирования по струне Рис. 13. Специальное устройство для наблюдения стержневом волноводе (а); движение устройства по струне (б); вращение кольца на загнутом частотах синусоидальных конце устройства (в); вращение кольца на колебаний генератора амплитуды горизонтально установленном устройстве (г): сигналов U от регистрирующих 1 – осциллятор, 2 – стержневой волновод, 3 – пьезоэлементы, 4 – струна, 5 – кольцо.

возбуждение в стержне продольных и изгибных колебаний. При этом возникает движение устройства по струне, а так же вращение установленных на нем колец.

Вблизи частот fi с изменением частоты f колебаний генератора (осциллятора) скорость вращения (рис. 14, кривая 1) колец существенно изменяется. Подбором f можно добиться максимального значения max. Аналогично ведет себя скорость движения V устройства по струне. Частоты сигналов миниатюрных пьезоэлектрических датчиков являются одинаковыми и равны частоте рад/с 17,0 17,5 18,0 f, кГц колебаний осциллятора вблизи одной из Рис. 14. Зависимости скорости вращения Рис. 15. Зависимости скорости вращения (1) кольца, подвешенного на волноводе, ротора, соприкасающегося со стержневым амплитуд сигналов U на пьезодатчиках, волноводом, от амплитуды напряжения U регистрирующих продольные (2) и на пьезоэлементе при разных значениях изгибные (3) колебания волновода и силы нормального давления Fн ротора на разности фаз (4) изгибных и продольных поверхность волновода: 1 – Fн =5 мН; 2 – колебаний в конце волновода от частоты Fн =10 мН; 3 – Fн =15 мН; 4 – Fн =25 мН.

колебаний пьезоэлемента f.

Установлено, что скорость вращения ротора, соприкасающегося с поверхностью стержневого волновода, зависит от амплитуды напряжения на пьезоэлементе и силы нормального давления ротора на поверхность стержневого волновода (рис. 15).

Рис. 16. Пьезоэлектрический линейный выполненный в виде горизонтально двигатель.

Рис. 17. Пьезоэлектрические двигатели: а – ротор с зубчатой передачей прижат к поверхности волновода, б – ротор в виде кольца подвешен на волноводе.

робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. В двигателе с ротором с зубчатой передачей при возбуждении пьезоэлектрического осциллятора напряжением амплитудой 25 В и частотой около 8 кГц создаваемый момент на валу ротора составил 4,4 Н/м.

Четвертая глава “Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости” посвящена исследованию взаимодействия струны с жидкой средой при ее резонансном ударном возбуждении пьезоэлементом и разработке распылителя жидкости.

В начале гл. 4 обсуждены принципы распыления жидкостей за счет механических колебаний звукового и ультразвукового диапазона. При распылении жидкости с подведением колебаний через газ используются газоструйные излучатели, в активную зону которых подается жидкость. При распылении жидкости в слое на ее поверхности, совершающую колебания перпендикулярно своей плоскости, образуются стоячие капиллярные волны. С увеличением амплитуды колебаний поверхности увеличивается амплитуда капиллярных волн, достигая предельной величины. При этом гребни стоячих волн вытягиваются в узкие «язычки». При дальнейшем увеличении амплитуды таких волн происходит отделение от них капель жидкости. Распыление в слое осуществляется при колебаниях с частотой в десятки килогерц, а диаметр капель составляет десятки микрометров. Толщина слоя жидкости должна быть порядка долей миллиметров, но не менее длины стоячей капиллярной волны k 2. Длина капиллярной волны в жидкости при акустическом возбуждении равна где n - коэффициент поверхностного натяжения, - плотность жидкости, f частота звука. Диаметр капель аэрозоля при распылении в слое составляет d 0,3k. Ультразвуковое распыление в слое широко применяется в промышленности и медицине, его используют для приготовления порошков и для распыления жидкого топлива в ультразвуковых форсунках.

При распылении в фонтане стоячие капиллярные волны возбуждаются на поверхности струи, возникающей в месте пучка ультразвуковых волн, направленного из глубины. Капиллярные волны возникают при наличии кавитации в струе, так как причиной их возбуждения являются периодические гидравлические удары при захлопывании кавитационных пузырьков. Для создания ультразвукового фонтана используются частоты мегагерцового диапазона. Распыление происходит в верхней части фонтана с образованием тонкого стойкого монодисперсного аэрозоля, размер капель которого составляет (2 – 4) мкм. В устройствах для распыления в фонтане пьезоэлектрические преобразователи имеют непосредственный контакт с распыляемой жидкостью или используется промежуточная жидкость. Поэтому для распыления химически агрессивных веществ, высокотемпературных жидкостей или расплавов металлов более подходящим является способ распыления в слое.

Жидкость для распыления поступает на колеблющуюся поверхность через осевой канал концентратора.

При разработке струнного распылителя использованы результаты по исследованию преобразования колебаний в направленное движение, рассмотренные в конце гл.2. Идея струнного распылителя, изложенная в гл.4, заключается в Рис. 18. Колебания участка струны при ее поперечных колебаниях.

составляющими. Эта сила инерции F равна центростремительной силе и ее величина определяется из выражения:

где - плотность материала струны, A - амплитуда поперечной волны, – круговая частота волн, k = v - волновое число, в котором v - скорость поперечной волны, x - расстояние от источника волн до рассматриваемой точки.

Продольная сила инерции на каждом из участков струны имеет постоянную и переменную составляющие и является однонаправленной и пульсирующей с удвоенной частотой колебаний струны:

где F 0 = A k sin 2k x. Максимальное значение продольной силы инерции приходится на участки струны с координатами x, определяемыми из условия k x = (2m + 1) 4, где m = 0, 1, 2,... Таким образом, при возбуждении стоячих поперечных волн в струне отдельные участки поверхности струны совершают вращательные колебания в малом диапазоне углов. При этом в узлах стоячих волн колебания отсутствуют, а в пучностях стоячих волн происходят только поперечные колебания[12].

В связи с тем, что на отдельных участках струны при ее поперечных колебаниях проявляются однонаправленные продольные силы инерции, возникает возможность использования этих участков струны для транспортирования частиц вещества вдоль струны, например, слоя жидкости на поверхности струны до пучностей стоячих волн для распыления жидкости.

Для проведения экспериментов изготовлено простое устройство [13], представляющее собой закрепленную в корпусе из дюралюминия Д16 размером 220х15х3 мм металлическую струну диаметром = 0,62 мм и длиной L = 200 мм (рис. 19). Плотность и модуль Юнга материала струны составляли соответственно = 8,2.103 кг/м3 и E = 220.109 Па, а сила натяжения струны – F 150 Н. Расчетная скорость поперечной волны составила v = 246,2 м/c. Зазор между струной и корпусом составлял в одном конце 0,4 мм, в другом – 1,8 мм. Ударное возбуждение струны осуществлялось пьезоэлементом ЗП-4, установленным в зазоре 1,8 мм между корпусом и струной. Точка воздействия пьезоэлемента на струну находилась на расстоянии 20 мм от ее конца. Для исследования взаимодействия возбужденной ударом струны с жидкостью струна вместе с корпусом частично погружалась в воду. На пьезоэлемент подавалось электрическое напряжение амплитудой 30 В от генератора низкой частоты. Экспериментально установлено, что при частичном погружении струны в воду на определенную глубину и при определенной частоте подаваемого на пьезоэлемент электрического напряжения наблюдается Рис. 19. Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости.

Рис.20. Распыление воды: 1 – аэрозоль, струны, найдено, что на этой длине 2 – вода, 3 – транспортируемый слой укладывается 3 длины поперечной волны воды, 4 – струна, 5 – корпус устройства, 6 – пьезоэлемент.

для измеренных частот колебаний и расстояний от источника до участков распыления существует закономерность:

где m = 0, …,4 и n =1, …,5. Эта закономерность подтверждает, что участки распыления на струне соответствуют местам расположения пучностей стоячей волны.

Экспериментально определенные значения расстояний от поверхности воды до участков распыления ( x =(5-10)мм) позволили сделать вывод о том, что вибрационно-волновое вытягивание жидкости струной осуществляется только при условии, когда уровень поверхности жидкости совпадает с участками струны, находящихся на расстоянии от узлов поперечной стоячей волны, равном четверти длины этой волны. На этих участках струны продольные колебания имеют наибольшую амплитуду и справедливо соотношение: k x = (2m + 1) 4.

В гл. 4 также показана работоспособность разработанного устройства для распыления воды, бензина и трансформаторного масла (рис. 21). Вязкость трансформаторного масла при температуре 200С почти в 20 раз превышает вязкость воды, поэтому распыления масла разработанным устройством при комнатной температуре не наблюдается, хотя эффект транспортирования существует. С повышением температуры, начиная от 400C, масло начинает распыляться, а в интервале температур от 60 до 750С производительность распыления масла превышает производительность распыления воды. Возрастание производительности распыления масла при увеличении температуры связано с уменьшением коэффициентов вязкости и поверхностного натяжения масла.

Рис. 21. Распыление струной воды(а), бензина(б) и трансформаторного масла(в).

Фотографические снимки, выполненные с выдержкой 0,1 мс, показали, что поперечные колебания струны действительно возбуждают капиллярные волны на поверхности жидкости (рис. 22). Однако транспортирование слоя жидкости и ее распыление происходит лишь при погружении струны на определенные уровни, когда поверхность жидкости приходится на участки струны, находящиеся на расстоянии четверти длины стоячей волны от ее узла.

Таким образом, обнаруженное волновое транспортирование и распыление жидкости струной вызвано взаимодействием резонансно возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны с жидкостью. Участки струны, находящиеся в середине между соседними узлами и пучностями стоячей волны в струне осуществляют вибрационно-волновое транспортирование слоя жидкости по поверхности струны, а участки струны, приходящиеся пучностям стоячей волны, распыляют жидкость. При этом разность фаз поперечной волны на этих участках составляет /4.

Рис. 22. Возбуждение струной капиллярных волн на поверхности воды (а) и разностью фаз /4, при этом продольные колебания трансформаторного масла (б).

средства в воде или потока жидкости в трубопроводе. В транспортных средствах малых размеров, в отдельных узлах подводной части транспортных средств, трубопроводах малых поперечных сечений и в медицине предлагаемый способ снижения гидродинамического сопротивления осуществляют в ультразвуковой области частот.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Впервые обнаружен эффект транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического осциллятора, возбуждаемого переменным электрическим напряжением. Экспериментально показано, что при низких частотах возбуждающих колебаний до 2 кГц движение пьезоэлемента с подвеской происходит только на отдельных участках струны и зависит от натяжения струны, а положения участков транспортирования на струне соответствуют узлам поперечных стоячих волн, возбуждаемых пьезоэлементом. При этом транспортирование пьезоэлемента по струне возможно плавным изменением частоты подаваемого на него синусоидального напряжения. Обнаружено, что в зависимости от частоты возбуждения пьезоэлектрического осциллятора дополнительно установленные тела на струне одновременно вместе с осциллятором совершают движения, приближаясь к осциллятору или удаляясь от него так, что между пьезоэлектрическим осциллятором и телом возникает эффективное “притяжение” или “отталкивание” посредством колебаний струны.

2. Установлено, что в области ультразвуковых частот колебаний движение пьезоэлектрического осциллятора, подвешенного на струне с помощью упругого стержня, вызвано одновременным возбуждением продольных и изгибных колебаний в стержне, имеющем остаточную кривизну. Максимальная скорость движения пьезоэлектрического осциллятора по струне достигается при разности фаз / изгибных и продольных колебаний в точке контакта стержня с поверхностью струны.

3. Экспериментально показана возможность вращения ротора, соприкасающегося с поверхностью тонкого упругого стержня, возбуждаемого колебаниями ультразвуковой частоты пьезоэлектрического осциллятора, установленного на его торце.

4. На основе результатов исследований эффекта транспортирования по струне пьезоэлектрического осциллятора разработаны и изготовлены макеты пьезоэлектрических струнных линейных двигателей и двигателей вращения с реверсивным движением.

5. Предложен метод волнового транспортирования и распыления жидкости струной и на его основе разработан пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Л1. Вибрационные преобразователи движения / Р.Ю.Бансявичюс, А.К.Бубулис, Р.А.Волченкова, Р.Э.Курило; Под ред. К.М.Рагульскиса. – Л.:

“Машиностроение”, 1984. – 64 c.

Л2. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский В.С. Пьезоэлектрические двигатели – М.: Энергия, 1980. – 112 с.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Александров В.А. Низкочастотные модели преобразования колебаний в направленное движение // III Научно-практическая Конференция “Проблемы механики и материаловедения”( к 15-летию ИПМ УрО РАН): Сборник тезисов докладов – Ижевск, Россия, 2006. – С. 93-94.

2. Александров В.А. Эффект транспортирования по струне // Датчики и системы. – 2001. – № 6. – С. 35-36.

3. Александров В.А. Бежала капля по струне… // Наука и жизнь. – 2001. – № 12. – C.

66-67.

4. Александров В.А., Александрова Г.В. Полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель // Патент РФ на изобретение № 2205494, 7 H02N 2/04, H02K 57/00, Бюл. № 15. – 27.05.2003.

5. Александров В.А. Ультразвуковое волновое транспортирование // Шестая российская университетско-академическая научно-практическая конференция:

Материалы конференции. Ч. II. Физика. Математические науки. Компьютерные науки. – Ижевск, 2004. – С. 21.

6. Александров В.А., Михеев Г. М. Влияние поперечных колебаний на вибрационное транспортирование пьезоэлемента по струне // Письма в ЖТФ. – 2004. – Т.30. – В.13. – С. 71-76.

7. Александров В.А., Михеев Г. М. Лазерная система регистрации колебаний струны // VIII Международная учебно-методическая конференция «Современный физический практикум»: Тез. докл. – М., 2004. – С. 113.

8. Александров В.А. Пьезоэлектрический двигатель со стержневым волноводом / Материаловедение и обработка материалов: cб. научн. тр./ отв. за выпуск А.В.Трубачев; гл. ред. В.Б.Дементьев. – Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2005. – 298 c.

9. Александров В.А., Михеев Г. М. Природа движения по струне подвешенного пьезоэлектрического осциллятора // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т.31. – В.15. – С.

49-54.

10. Александров В.А., Михеев Г. М. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2278461, МПК H02N 2/00 (2006.01), 21.10.2004, Бюл. №17. – 20.06.2006.

11. Александров В.А., Михеев Г. М. Пьезоэлектрический волновой двигатель // Патент РФ на изобретение №2278462, МПК H02N 2/00 (2006.01), 25.10.2004, Бюл. №17. – 20.06.2006.

12. Липанов А.М., Михеев Г.М., Александров В.А. Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости. – Ижевск, 2006. – 17с. – Деп. в ВИНИТИ 14.08.2006, №1064-В2006.

13. Александров В.А. Волновое распыление жидкости струной // Письма в ЖТФ. – 2003. – Т.29. – В.10. – С. 88-94.

14. Александров В.А., Михеев Г.М. Распылитель жидкости // Патент РФ на изобретение №2234381, B05B 17/06, 12.08.2002, Бюл. № 23. – 20.08.2004.

15. Александров В.А. Способ снижения гидродинамического сопротивления // Патент РФ на изобретение № 2276035, МПК B63B 1/32 (2006.01), F15D 1/ (2006.01), 14.12.2004, Бюл. №13. – 10.05.2006.

Подписано в печать «12» сентября 2006г. Формат 60х84/