Cylindrical Piezoceramic Radiator as a Complex Dynamic System

Abstract

Циліндричний п'єзокерамічний випромінювач звуку, утворений з двох коаксіальних рознесених в просторі тонких п'єзокерамічних оболонок з окружною поляризацією і пружним середовищем між ними, розглянуто як динамічна система з параметрами, оперативно керованими в процесі роботи з електричного боку. З урахуванням взаємного зв'язку електричних, механічних і акустичних полів оболонок в процесі перетворення енергії та обміну енергією між оболонками всередині випромінювача при формуванні акустичного поля отримані розрахункові співвідношення для визначення фізичних полів випромінювача при динамічному управлінні і пов'язаності між собою процесів перетворення енергії і формування її в просторі параметрами електричних полів його оболонок. Показано, що кількісні характеристики динамічної поведінки випромінювача залежать від відношення величин, що підводяться до п'єзокерамічних оболонок електричних напруг, різниці фаз між ними, розмірів оболонок і електрофізичних параметрів їх матеріалів, фізичних параметрів середовищ, що заповнюють оболонки. Методом чисельного аналізу виявлені особливості поведінки фізичних полів випромінювача при зміні електричної напруги збудження оболонок і різниці фаз між ними для випадку, коли частоти основної форми механічних коливань обох оболонок у вакуумі однакові. При цьому встановлено ряд важливих для практичного застосування властивостей таких випромінювачів. Управління амплітудами і фазами збуджуючих оболонки електричних напруг дозволяє: істотно підвищити акустичну ефективність випромінювача і значно розширити діапазон частот його резонансного випромінювання звуку без збільшення габаритних розмірів випромінювача; забезпечити оперативне управління механічними полями оболонок випромінювача, наближаючи коливальні швидкості їх до максимально можливих з точки зору збереження механічної міцності випромінювача; визначити закономірності випромінювання електричних полів випромінювача при динамічному управлінні його роботою з урахуванням способу збудження п’єзокерамічних оболонок. Дано фізичне трактування причин виникнення цих властивостей.

A cylindrical piezoceramic sound emitter, formed by two coaxial thin piezoceramic spaced-apart shells with circumferential polarization and an elastic medium between them, is considered as a dynamic system with parameters operationally controlled from the electrical side during performance. Taking into account the interconnection of the electric, mechanical, and acoustic fields of the shells during the energy conversion of the energy exchange between the shells inside the emitter, when forming the acoustic field, the calculated relationships to determine the physical fields of the emitter under the dynamic control and the interconnectedness of the energy conversion processes as well as its formation in space by electric fields parameters of field’s shells are obtained. It is shown that the quantitative characteristics of the dynamic behavior of the emitter depend on the ratio of the magnitudes of the electrical voltages supplied to the piezoceramic shells, the phase difference between them, the size of the shells and their materials electrophysical parameters, as well as physical parameters of the media filling the shells. A method of numerical analysis revealed the behavior of the emitter’s physical fields when changing the shells’ electrical excitation voltages and the phase difference between them for the case when the frequencies of the main form of mechanical vibrations of both shells in vacuum are the same. At the same time, a number of properties important for practical application of such emitters were established. The control of the amplitudes and phases of the exciting envelope of electrical voltages allows to: significantly increase the acoustic efficiency of the emitter and significantly expand the frequency range of its resonant sound emission without increasing the overall dimensions of the emitter; provide operational control of the emitter shells’ mechanical fields, bringing their particle velocities to the maximum possible in terms of maintaining emitter’s mechanical strength; to determine the laws of electric fields radiation of the emitter during dynamic control of its performance taking into account the method of excitation of piezoceramic shells. A physical interpretation of the causes of these properties is given.