Секция новых экологически чистых технологий и источников энергии

Секция новых экологически чистых технологий и источников энергии
Секция новых экологически чистых технологий
и источников энергии
К ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ РАБОТЫ
ПЬЕЗОИЗЛУЧАТЕЛЕЙ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ
В.Б. Дюдин, Г.Б. Тарасова
Таганрогский государственный радиотехнический университет
В настоящее время особое внимание уделяется экологической безопасности
технических сооружений, таких, как трубопроводы, резервуары нефти, бензохранилища и т.п., разрушение которых может привести к техногенным катастрофам. В
этой связи главным на сегодня становится определение остаточного ресурса объекта,
степени риска при его эксплуатации и т.д. Определение соответствия состояния эксплуатируемого объекта техническим требованиям проводится методами технической
диагностики.
Одним из основных методов технической диагностики является метод акустической эмиссии. Для моделирования сигналов акустической эмиссии с целью определения параметров микротрещин применяют различные методы, в том числе возбуждение квазиэмиссионных сигналов с помощью пьезоизлучателей малых размеров
[1].
Энергетическую оценку пьезоизлучателя малых размеров можно выполнить,
рассмотрев его работу на низких частотах либо в области между резонансами [2].
Для этого оценим его эффективность величиной коэффициента электромеханической
трансформации n. При выводе расчетного уравнения воспользуемся выражением,
связывающим реактивную электрическую мощность, развиваемую пьезоэлементом, с
заданным полным объёмом пьезоматериала, когда он помещен в поле плоской звуковой волны с заданной удельной акустической мощностью.
Если не учитывать внутренние потери в пьезоматериале, то результат для
плоского элемента малых размеров, работающего на продольном пьезоэффекте, будет иметь следующий вид [2]:
n = V ⋅ ω(ρC) ср
2
d 33
σ
ε 33
,
где V = SЭЛ ⋅ h - полный объем пьезоэлемента; h - толщина пьезоэлемента; SЭЛ площадь электродов; (ρС) ср - волновое сопротивление среды; d 33 - пьезомодуль;
σ
ε 33
- диэлектрическая проницаемость пьезокерамики при σ=const; σ - механическое
напряжение; ω = 2πf - круговая частота.
Эффективность электрического преобразования целесообразней оценивать
коэффициентом электромеханической связи
2
k 33 =
2
d 33
.
σ
E
ε 33
⋅ S33
157
Известия ТРТУ
Экология 2002 –море и человек
E
Учитывая при этом, что S33
= (ρC 3E ) −2 , получим:
n =V (ρС) ср/(ρСE3) k 233 ω/CΕ3 ,
где
C 3E - скорость звука в пьезокерамике при E=const - напряженность электрическо-
го поля; (ρ C 3E ) - волновое сопротивление пьезокерамики.
Поскольку система обратима, можно определить удельную акустическую
мощность, развиваемую приложенным электрическим напряжением U, полагая, что
электрическая мощность
w эл =
где Z =
1 U2
,
2 Z
1
- емкостное сопротивление пьезоэлемента.
jωC эл
σ
Если рабочая частота находится ниже основного резонанса, то C эл = ε 33
σ
2
а если выше, то C эл = ε 33
(1 − k 33
)
S эл
,
h
S эл
.
h
С учетом сделанных выводов окончательно получим:
Wауд =
w эл
n2
2 σ
E
E
2
E
2
) σ E
1 U ε 33S эл ω(ρC 3 ) кф C 3 (1 − k 33 ) 1 U 2 (ρC 3 ) кф (1 − k 33
=
=
ε 33 C 3 .
2
2
2
2 n (ρC) ср
2
n ⋅ S эл ⋅ n ⋅ (ρC) ср ⋅ k 33 ω
k 33
Из последнего выражения следует, что удельная акустическая мощность
U
пропорциональна напряженности электрического поля E 3 = , зависит от отношеh
ния волновых сопротивлений пьезокерамики и среды, параметров пьезокерамики и
расстояния между электродами пьезоэлемента.
Сделаем оценку акустической мощности, возбуждаемой в пластине из алюминия пьезоэлементом из пьезокерамики типа ЦТС-19 диаметром 2 мм и толщиной 1
мм электрическим напряжением U=10 В. Предположим, что на этой частоте в пластине
возбуждается
несимметричная
волна
Лэмба
нулевого
порядка
a 0 (C эф = 2800м / с, ρ = 2700кг / м) , тогда получим следующий результат:
Wауд
U2
1 7 ⋅103 ⋅ 3 ⋅103 1 − 0 ,36 1500⋅ 8 ,85 ⋅10−12 ⋅ 3000
Вт
= ⋅
⋅
⋅
= 119,71 ≈ 120 2 2 .
3
3
−6
2 2 ,8 ⋅10 ⋅ 2 ,7 ⋅10
0 ,36
10
мВ
При площади электродов пьезоэлемента S= 3,14 ⋅ 10 −6 м 2 и приложенном
электрическом напряжении 10 В акустическая мощность будет равна
Wa = 120 ⋅ 3,14 ⋅ 10 −6 ⋅ 10 2 = 4,51 ⋅ 10 −2 Вт = 45мВт .
Полагая, что эта волна распространяется по тонкому листу, давление p0 в
любой точке пространства можно определить из выражения
2
p0
1
,
Wa = ⋅
2 2π ⋅ L ⋅ d
где L - расстояние до точки измерения; d - толщина листа.
При толщине листа d = 5 мм и расстоянии L до точки приема, равном 1м, без
учета затухания в среде получим:
p 0 = 4π ⋅ 1,5 ⋅ 10 −3 ⋅ 45 ⋅ 10 −3 = 53,16 ⋅ 10 −3 Па .
С учетом коэффициента затухания давление будет меньше:
158
Секция новых экологически чистых технологий и источников энергии
p1 = p 0 exp(−αL) ,
где α - коэффициент затухания волны в среде.
Учитывая, что от дефекта отразится только часть энергии и путь до приемника будет
равен длине L1, получим:
p пр = xp1 exp(−αL1 ) ,
где χ - коэффициент отражения квазиэмиссионного сигнала от дефекта или края
пластины.
Задав расстояние и зная чувствительность приемника акустоэмиссионных
сигналов, получим напряжение на его выходе:
Vпр = γ пр ⋅ p пр .
Для полубесконечной среды в уравнении Wa следует заменить 2π ⋅ Ld на 2π 2 ⋅ L2 .
Полученные здесь выражения позволяют вычислить акустическую мощность
квазиэмиссинной волны, возбуждаемой плоским поршнем малых размеров, имитирующим излучение трещины нормального отрыва в любой точке пространства, и
таким образом сделать оценку мощности излучения трещиной нормального отрыва.
При вычислении акустической мощности в ограниченных средах следует еще учитывать коэффициент преобразования энергии объемных волн в энергию нормальных
волн определенной моды [3].
1.
2.
3.
ЛИТЕРАТУРА
Дюдин В.Б. Исследование сигналов квазиэмиссионных волн в пластинах
//Известия ТРТУ. Таганрог. 2002. №1(24). С.134.
Ананьева А.А. Керамические приемники звука. М.: Наука, 1953. 178 с.
Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и
Лэмба в технике. М.: Наука,1965.168 с.
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КОНВЕРТЕРНОЙ
ПЛАВКИ СТАЛИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ В АГРЕГАТЕ
А. А. Кожухов, Э. Э. Меркер
Старооскольский технологический институт
With the purpose of improving ecological and technological parameters basic
oxygen process the researches on development of the new "know-how" of steel in the converter based on application of gas-jet protection above a zone of purging of the aggregate
were conducted. In an outcome was placed, that the application of gas-jet protection allows
to reduce ablation of dust from the converter on 50 - 70 % and to increase productivity of
the aggregate on 5 - 10%.
Существующие технологические режимы конвертерной плавки стали обладают недостатками, которые заключаются в том, что из агрегата с отходящими газами выносится значительное количество железистой пыли и оксидов углерода.
В то же время применяемые методы и аппараты очистки технологических
газов являются недостаточно совершенными и не отвечают требованиям экологически чистых технологий производства металлов.
159