Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты
Предложена методика расчета параметров полуволновых пакетных УЗ-пьезоизлучателей и ступенчатых волноводов, обладающая погрешностью не более 6—8%, которая может быть достаточно эффективно использована для проектирования ультразвуковых преобразователей различных конструкций в широком диапазоне частот...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56370 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты / В.Л. Ланин, И.Б. Петухов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2013. — № 5. — С. 42-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56370 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ланин, В.Л. Петухов, И.Б. 2014-02-17T00:10:27Z 2014-02-17T00:10:27Z 2013 Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты / В.Л. Ланин, И.Б. Петухов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2013. — № 5. — С. 42-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2225-5818 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56370 534.8:621.396.6 Предложена методика расчета параметров полуволновых пакетных УЗ-пьезоизлучателей и ступенчатых волноводов, обладающая погрешностью не более 6—8%, которая может быть достаточно эффективно использована для проектирования ультразвуковых преобразователей различных конструкций в широком диапазоне частот в силу своей простоты, удобства применения и малых затрат. Запропоновано методику розрахунку параметрів напівхвилвхвильових пакетних УЗ-пьєзовипромінювачів і ступінчатих хвилеводів, що має похибку не більше 6—8%. Методика може бути досить ефективно використана для проектування ультразвукових перетворювачів різних конструкцій в широкому діапазоні частот через свою простоту, зручність застосування та малі витрати. The paper presents a method of calculating the parameters of half-wave package ultrasonic piezoelectric emitters and step waveguides, which has an error no more than 6—8%. This method, owing to its simplicity, usability and low cost, can be effectively used for the design of ultrasonic transducers of different designs in a wide range of frequencies. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Технологические процессы и оборудование Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты Методика розрахунку параметрів УЗ-перетворювачів підвищеної частоти Method of calculating the parameters of ultrasonic super-high-frequency transducers Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты |
| spellingShingle |
Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты Ланин, В.Л. Петухов, И.Б. Технологические процессы и оборудование |
| title_short |
Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты |
| title_full |
Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты |
| title_fullStr |
Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты |
| title_full_unstemmed |
Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты |
| title_sort |
методика расчета параметров уз-преобразователей повышенной частоты |
| author |
Ланин, В.Л. Петухов, И.Б. |
| author_facet |
Ланин, В.Л. Петухов, И.Б. |
| topic |
Технологические процессы и оборудование |
| topic_facet |
Технологические процессы и оборудование |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Методика розрахунку параметрів УЗ-перетворювачів підвищеної частоти Method of calculating the parameters of ultrasonic super-high-frequency transducers |
| description |
Предложена методика расчета параметров полуволновых пакетных УЗ-пьезоизлучателей и ступенчатых волноводов, обладающая погрешностью не более 6—8%, которая может быть достаточно эффективно использована для проектирования ультразвуковых преобразователей различных конструкций в широком диапазоне частот в силу своей простоты, удобства применения и малых затрат.
Запропоновано методику розрахунку параметрів напівхвилвхвильових пакетних УЗ-пьєзовипромінювачів і ступінчатих хвилеводів, що має похибку не більше 6—8%. Методика може бути досить ефективно використана для проектування ультразвукових перетворювачів різних конструкцій в широкому діапазоні частот через свою простоту, зручність застосування та малі витрати.
The paper presents a method of calculating the parameters of half-wave package ultrasonic piezoelectric emitters and step waveguides, which has an error no more than 6—8%. This method, owing to its simplicity, usability and low cost, can be effectively used for the design of ultrasonic transducers of different designs in a wide range of frequencies.
|
| issn |
2225-5818 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56370 |
| citation_txt |
Методика расчета параметров УЗ-преобразователей повышенной частоты / В.Л. Ланин, И.Б. Петухов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2013. — № 5. — С. 42-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT laninvl metodikarasčetaparametrovuzpreobrazovateleipovyšennoičastoty AT petuhovib metodikarasčetaparametrovuzpreobrazovateleipovyšennoičastoty AT laninvl metodikarozrahunkuparametrívuzperetvorûvačívpídviŝenoíčastoti AT petuhovib metodikarozrahunkuparametrívuzperetvorûvačívpídviŝenoíčastoti AT laninvl methodofcalculatingtheparametersofultrasonicsuperhighfrequencytransducers AT petuhovib methodofcalculatingtheparametersofultrasonicsuperhighfrequencytransducers |
| first_indexed |
2025-11-24T03:31:38Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:31:38Z |
| _version_ |
1850837523039780864 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2013, ¹ 5
42
ÒÅÕÍÎËÎÃÈЧÅÑÊÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ È ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ
ÓÄÊ 534.8:621.396.6
Ä. ò. í. В. Л. ЛАНИН1, И. Б. ПЕТУХОВ2
Бåëàðóñь, ã. Мèíñê, 1БГÓИР, 2ÊБÒЭМ-СО ГНПО «Пëàíàð»
E-mail: vlanin@bsuir.by, petuchov@kbtem.by
МЕÒОÄИÊА РАСЧЕÒА ПАРАМЕÒРОВ
ÓЗ-ПРЕОБРАЗОВАÒЕЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСÒОÒЫ
В ñîâðåмåííыõ óñòàíîâêàõ мèêðîñâàðêè ïðî-
âîëîчíыõ âыâîдîâ â èздåëèÿõ ýëåêòðîííîé òåõ-
íèêè óëьòðàзâóêîâàÿ (ÓЗ) ñèñòåмà, ñîñòîÿщàÿ
èз ÓЗ-ãåíåðàòîðà (ÓЗÃ) è ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëÿ
(ÓЗÏ), èãðàåò êëючåâóю ðîëь â ñòàбèëьíîñòè
ðàбîòы óñòàíîâêè è âîñïðîèзâîдèмîñòè êàчå-
ñòâà ñâàðíыõ ñîåдèíåíèé, îñîбåííî ïðè ñбîðêå
ïðèбîðîâ ñ ïîâышåííîé ïëîòíîñòью мîíòàжà è
ñ èñïîëьзîâàíèåм ïðîâîдíèêîâ мàëîãî ñåчåíèÿ.
ÓЗ-ãåíåðàòîð фîðмèðóåò íà âыõîдå ïðîãðàм-
мèðóåмыé ïî àмïëèòóдå è дëèòåëьíîñòè ïåðå-
мåííыé ñèãíàë óëьòðàзâóêîâîé чàñòîòы, ïîñòó-
ïàющèé íà ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëь, êîòîðыé ïðå-
îбðàзóåò ïîдâîдèмóю ýëåêòðèчåñêóю ýíåðãèю â
ýíåðãèю мåõàíèчåñêèõ êîëåбàíèé íà ðåзîíàíñ-
íîé чàñòîòå. Рàбîòà бîëьшèíñòâà ÓЗП â óñòà-
íîâêàõ мèêðîñâàðêè îñíîâàíà íà îбðàòíîм ïьå-
зîýффåêòå èñïîëьзóåмыõ ïьåзîêåðàмèчåñêèõ мà-
òåðèàëîâ â âèдå êîëåц èëè ïëàñòèí. Ê îñíîâíым
ïàðàмåòðàм ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëåé îòíîñÿòñÿ ñòà-
бèëьíîñòь чàñòîòы ðåзîíàíñà â ïðîцåññå ýêñïëó-
àòàцèè, âåëèчèíà èмïåдàíñà íà ðåзîíàíñíîé чà-
ñòîòå è фîðмà чàñòîòíыõ зàâèñèмîñòåé мîдóëÿ
è фàзы èмïåдàíñà.
Сîâðåмåííыé ÓЗП дëÿ óñòàíîâîê мèêðîñâàð-
êè èмååò èмïåдàíñ 10—30 Ом íà ðåзîíàíñíîé
чàñòîòå, êîòîðàÿ íàõîдèòñÿ â дèàïàзîíå îò 60 дî
240 êГц. Нèзêèé èмïåдàíñ ïîзâîëÿåò зíàчèòåëь-
íî óïðîñòèòь âыõîдíîé êàñêàд ÓЗ-ãåíåðàòîðà
ïðè ñîãëàñîâàíèè íàãðóзêè. ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëè
ïîâышåííîé чàñòîòы (ñ чàñòîòîé ðåзîíàíñà бî-
ëåå 100 êГц) ïðèмåíÿюòñÿ ïðåèмóщåñòâåííî â
óñòàíîâêàõ òåðмîзâóêîâîé ñâàðêè мåòîдîм «шà-
ðèê — êëèí», чòî ïîзâîëÿåò ïîâыñèòь ïðîèзâî-
дèòåëьíîñòь зà ñчåò ñîêðàщåíèÿ âðåмåíè ñâàðêè,
à òàêжå óмåíьшèòь òåмïåðàòóðó зîíы ñâàðêè [1].
Вîзмîжíîñòь ñíèжåíèÿ òåмïåðàòóðы зîíы мè-
êðîñâàðêè îñîбåííî àêòóàëьíà ïðè ñбîðêå ïðè-
Предложеíа меòодика расчеòа парамеòров полуволíовых пакеòíых УЗ-пьезоизлучаòелей и сòу-
пеíчаòых волíоводов, обладающая погрешíосòью íе более 6—8%, коòорая можеò быòь досòа-
òочíо эффекòивíо использоваíа для проекòироваíия ульòразвуковых преобразоваòелей различ-
íых коíсòрукций в широком диапазоíе часòоò в силу своей просòоòы, удобсòва примеíеíия и ма-
лых заòраò.
Êлючевые слова: пьезокерамический излучаòель, волíовод, расчеò парамеòров, импедаíс, микросварка.
бîðîâ íà ïîëèмåðíыõ íîñèòåëÿõ, íàïðèмåð êðå-
дèòíыõ êàðò, SIM êàðò è ò. ï.
ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëь ñîñòîèò èз òðåõ îñíîâ-
íыõ чàñòåé (рис. 1): ïьåзîêåðàмèчåñêîãî èзëó-
чàòåëÿ, âîëíîâîдà è êðåïåжíîãî ñòàêàíà, ðàñïî-
ëîжåííîãî â óзëå ïðîдîëьíыõ êîëåбàíèé. Пðè
ñîåдèíåíèè ïьåзîèзëóчàòåëÿ ñ âîëíîâîдîм íåîб-
õîдèмî îбåñïåчèòь òàêèå óñëîâèÿ, чòîбы чàñòîòà
ðåзîíàíñà ñèñòåмы «ïьåзîèзëóчàòåëь — âîëíî-
âîд» îñòàâàëàñь ðàâíîé ðåзîíàíñíîé чàñòîòå èз-
ëóчàòåëÿ. Пîýòîмó ïðîåêòèðîâàíèå ÓЗ-ñèñòåмы
âêëючàåò â ñåбÿ ðàñчåò ãåîмåòðèчåñêèõ ðàзмåðîâ
ñîñòàâíыõ чàñòåé ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëÿ íà зàдàí-
íóю чàñòîòó ñ óчåòîм êîíñòðóêòèâíыõ îñîбåí-
íîñòåé ñâàðîчíîé ãîëîâêè óñòàíîâêè мèêðîñâàð-
êè. Аíàëèз àмïëèòóдíî-чàñòîòíîé õàðàêòåðèñòè-
êè ðàññчèòыâàåмîãî ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëÿ âыïîë-
íÿåòñÿ ñ ïîмîщью èзмåðèòåëьíыõ ñòåíдîâ èëè
ïðîãðàммíыõ ñðåдñòâ êîмïьюòåðíîãî мîдåëèðî-
âàíèÿ. Очåâèдíî, чòî ïðåдâàðèòåëьíîå мîдåëè-
ðîâàíèå ñ ïîмîщью ïðîãðàммíыõ ñðåдñòâ ïîзâî-
ëèò èзбåжàòь дîðîãîñòîÿщèõ ïðîèзâîдñòâåííыõ
зàòðàò íà èñïðàâëåíèå êîíñòðóêòîðñêèõ îшèбîê
íà ýòàïå ïðîåêòèðîâàíèÿ.
Рèñ. 1. Óëьòðàзâóêîâîé ïðåîбðàзîâàòåëь óñòàíîâêè
мèêðîñâàðêè âыâîдîâ
Êðåïåжíыé ñòàêàí
Пьåзîêåðàмèчåñêèé
èзëóчàòåëь
Мåñòî зàжèмà мèêðîèíñòðóмåíòà
Вîëíîâîд
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2013, ¹ 5
43
ÒÅÕÍÎËÎÃÈЧÅÑÊÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ È ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ
В íàñòîÿщåé ðàбîòå ïðåдëîжåíà мåòîдè-
êà ðàñчåòà ïàðàмåòðîâ îñíîâíыõ чàñòåé ÓЗ-
ïðåîбðàзîâàòåëåé, êîòîðàÿ мîжåò быòь èñïîëь-
зîâàíà дëÿ ðàñчåòà è àíàëèзà ïðåîбðàзîâàòå-
ëåé ðàзëèчíыõ êîíñòðóêцèé â шèðîêîм дèàïà-
зîíå чàñòîò.
Ðасчет параметров пьезокерамического
излучателя
Пьåзîêåðàмèчåñêèé èзëóчàòåëь ïðåдñòàâëÿåò
ñîбîé íåñêîëьêî ñòÿíóòыõ мåòàëëèчåñêèмè íà-
êëàдêàмè ïьåзîêåðàмèчåñêèõ êîëåц, ýëåêòðèчå-
ñêè ñîåдèíåííыõ ïàðàëëåëьíî.
Êðóãîâóю чàñòîòó ω мåõàíèчåñêîãî ðåзîíàí-
ñà ïьåзîèзëóчàòåëÿ мîжíî îïðåдåëèòь èз ñîîò-
íîшåíèÿ [2]
,
arctg tg
arctg tg
c
l
S c
S c
c
l
S c
S c
c
l
2
1
3 3
2
2
2 2
1 1 1
1
2 2 2
3 3
3
ω
ρ
ρ ω
ρ
ρ ω π
+ +
+ =
c
c
m
m
(1)
ãдå li, ρi, ci, Si — ñîîòâåòñòâåííî дëèíà, ïëîò-
íîñòь мàòåðèàëà, ñêîðîñòь зâóêà â íåм è ïëî-
щàдь ïîïåðåчíîãî ñåчåíèÿ òыëьíîé íàêëàдêè
(i=1), ñåêцèè ïьåзîêåðàмèêè (i=2) è ïåðåдíåé
íàêëàдêè (i=3) (рис. 2).
Рàñчåò чàñòîòы ïьåзîèзëóчàòåëÿ ïî ýòîé
фîðмóëå ïðîâîдèëñÿ â мàòåмàòèчåñêîм ïàêåòå
MathCAD ïðè ñëåдóющèõ èñõîдíыõ дàííыõ:
— ñåêцèÿ ïьåзîêåðàмèêè ñîñòîèò èз чåòыðåõ
êîëåц òîëщèíîé 2 мм, âíåшíèé дèàмåòð 12 мм,
âíóòðåííèé 5 мм, мàòåðèàë ЦÒС-43 (l2=8 мм,
S2=374 мм2, ρ2=7500 êã/м3, с2=3200 м/ñ [3]);
— íàêëàдêè èмåюò фîðмó цèëèíдðà дèàмå-
òðîм 12,8 мм è âыñîòîé 8,5 мм, мàòåðèàë ñòàëь
(l1=l3=8,5 мм, S1=S3=130 мм2, ρ1=ρ3=7800 êГ/м3,
с1=с3=5100 м/ñ).
В ðåзóëьòàòå ðàñчåòà быëî ïîëóчåíî зíà-
чåíèå ðåзîíàíñíîé чàñòîòы ïьåзîèзëóчàòåëÿ
64,141 êГц.
Измåðåíèÿ, ïðîâåдåííыå íà ñïåцèàëьíîм ñòåí-
дå [4] дëÿ ïÿòè îбðàзцîâ ïьåзîýëåêòðèчåñêèõ èзëó-
чàòåëåé ïîêàзàëè, чòî èõ ðåзîíàíñíàÿ чàñòîòà íà-
õîдèòñÿ â дèàïàзîíå îò 61,5 дî 66,4 êГц, ò. å. îò-
êëîíåíèå îò ðàñчåòíîé чàñòîòы íå ïðåâышàåò 8%.
Из àíàëèзà ñîîòíîшåíèÿ (1) мîжíî зàêëю-
чèòь, чòî ïðè óмåíьшåíèè дëèíы íàêëàдîê чà-
ñòîòà ïьåзîèзëóчàòåëÿ óâåëèчèâàåòñÿ. Нàïðèмåð,
ïðè òîé жå дëèíå ïьåзîñåêцèè 8 мм óмåíьшå-
íèå дëèíы íàêëàдîê ñ 8,5 дî 3,2 мм ïðèâîдèò
ê ðîñòó чàñòîòы дî 102 êГц. Очåâèдíî, чòî дëÿ
бîëåå âыñîêèõ чàñòîò íåîбõîдèмî èñïîëьзîâàòь
ïьåзîêîëьцà мåíьшåé òîëщèíы дëÿ îбåñïåчåíèÿ
òåõíîëîãèчíîñòè êîíñòðóêцèè.
Пðèâåдåííыé ðàñчåò ïðèãîдåí òîëьêî дëÿ
ïåðâîíàчàëьíîé îцåíêè ðåзîíàíñíîé чàñòîòы,
ïîñêîëьêó îí íå óчèòыâàåò ðàзëèчíыå мîды êî-
ëåбàíèé, êîòîðыå мîãóò âîзíèêàòь ïðè îïðåдå-
ëåííыõ ñîîòíîшåíèÿõ ãåîмåòðèчåñêèõ ðàзмåðîâ
ñîñòàâíыõ чàñòåé ïьåзîèзëóчàòåëÿ, óñèëèÿ ñжà-
òèÿ ïàêåòà è дð. Ê íåжåëàòåëьíым мîдàм êîëå-
бàíèé îòíîñÿòñÿ ïîïåðåчíыå è êðóòèëьíыå êî-
ëåбàíèÿ, êîòîðыå, ðàñïðîñòðàíÿÿñь ïî âîëíîâî-
дó ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëÿ ê мåñòó зàжèмà мèêðî-
èíñòðóмåíòà, мîãóò âызâàòь ñëîжíыå êîëåбàíèÿ
åãî ðàбîчåãî òîðцà, чòî â ñâîю îчåðåдь мîжåò
ñêàзàòьñÿ íà êàчåñòâå ñâàðíыõ ñîåдèíåíèé [5].
Эòà ïðîбëåмà бîëьшå âñåãî ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè
ðàзðàбîòêå ÓЗП ïîâышåííîé чàñòîòы (бîëåå
100 êГц), ïîñêîëьêó, êàê óêàзыâàëîñь âышå,
дëÿ íèõ íóжíî èñïîëьзîâàòь ñîñòàâëÿющèå êîм-
ïîíåíòы мåíьшèõ ãåîмåòðèчåñêèõ ðàзмåðîâ. В
ýòîм ñëóчàå îцåíèòь âыõîдíыå õàðàêòåðèñòèêè
ÓЗП мîжíî мåòîдîм ëàзåðíîé âèбðîмåòðèè, ïî-
зâîëÿющèм дèñòàíцèîííî èзмåðÿòь àмïëèòóдó
è ñïåêòð мåõàíèчåñêèõ êîëåбàíèé ðàбîчåãî òîð-
цà мèêðîèíñòðóмåíòà [6].
В ñèммåòðèчíîм ïîëóâîëíîâîм ïьåзîèзëóчà-
òåëå óзåë êîëåбàíèé íàõîдèòñÿ ïîñåðåдèíå ïьå-
зîêåðàмèчåñêîé ñåêцèè, ïîýòîмó здåñь âîзíèêà-
юò íàèбîëьшèå âíóòðåííèå íàïðÿжåíèÿ. Чòîбы
óâåëèчèòь íàдåжíîñòь ïьåзîêåðàмèêè ïðè âы-
ñîêîé ïîдâîдèмîé мîщíîñòè, жåëàòåëьíî ñмå-
ñòèòь óзåë êîëåбàíèé бëèжå ê ãðàíèцå ïьåзîêå-
ðàмèчåñêîé ñåêцèè ñ ïåðåдíåé íàêëàдêîé, íàïðè-
мåð: òыëьíàÿ íàêëàдêà âмåñòå ñ ñåêцèåé ïьåзî-
êåðàмèêè îбðàзóåò чåòâåðòьâîëíîâîé èзëóчàòåëь
ñ óзëîм êîëåбàíèé íà ãðàíèцå ïьåзîêåðàмèêè ñ
ïåðåдíåé íàêëàдêîé, âыïîëíåííîé â âèдå чåò-
âåðòьâîëíîâîãî òðàíñфîðмàòîðà, êîòîðыé îбå-
ñïåчèâàåò íåîбõîдèмыé êîýффèцèåíò óñèëåíèÿ.
Очåâèдíî, чòî â òàêîм ñëóчàå чàñòîòîïîíèжàю-
щèå íàêëàдêè бóдóò èмåòь ðàзíóю дëèíó, è òîã-
дà ñóдèòь î ïîëîжåíèè óзëà êîëåбàíèé ïî âыðà-
жåíèю (1) дîâîëьíî ñëîжíî. Пîýòîмó дëÿ îïðå-
дåëåíèÿ ðàзмåðîâ íàêëàдîê è, ñîîòâåòñòâåííî,
ïîëîжåíèÿ ñåêцèé ïьåзîêåðàмèêè îòíîñèòåëьíî
óзëà êîëåбàíèé âîñïîëьзóåмñÿ óðàâíåíèåм ïðî-
дîëьíыõ êîëåбàíèé [7]
Рèñ. 2. Рàñïðåдåëåíèå àмïëèòóды êîëåбàíèé â ïîëó-
âîëíîâîм ïьåзîèзëóчàòåëå:
1 — òыëьíàÿ íàêëàдêà; 2 — ñåêцèÿ ïьåзîêåðàмèêè;
3 — ïåðåдíÿÿ íàêëàдêà
1 2 3
0
l1 l2 l3
l21 l23
x
ζ ζ1 ζ2 ζ3
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2013, ¹ 5
44
ÒÅÕÍÎËÎÃÈЧÅÑÊÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ È ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ
( , ) ( , ) ,
t
x t
c
x
x t
2
2
2
2
2
$
2
2
2
2ζ ζ
=
(2)
ãдå ζ(x, t) — фóíêцèÿ ðàñïðåдåëåíèÿ àмïëèòóды
êî ëåбàíèé;
c — ñêîðîñòь зâóêà â мàòåðèàëå;
x, t — êîîðдèíàòà è âðåмÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ
ïðîдîëьíыõ êîëåбàíèé ñîîòâåòñòâåííî.
Обычíî ðåшåíèå òàêîãî óðàâíåíèÿ â îбщåм
âèдå íàõîдÿò êàê
( , ) .cos sin sinx t A
c
x B
c
x tζ ω ω ω= +8 B (3)
Чòîбы ïîëóчèòь îòñюдà âыðàжåíèÿ дëÿ ðàñ-
чåòà дëèíы íàêëàдîê, ñîñòàâèм ãðàíèчíыå óñëî-
âèÿ ñîãëàñíî ðèñ. 2.
Нà ãðàíèцàõ ñåêцèè êåðàмèêè ñ íàêëàдêàмè
ñïðàâåдëèâы ñëåдóющèå ðàâåíñòâà àмïëèòóд è
ñèë ñжàòèÿ è ðàñòÿжåíèÿ:
— ïðè х=–l21
ζ1=ζ2, (4)
;E S
x
E S
x1 1
1
2 2
2
2
2
2
2ζ ζ
= (5)
— ïðè х=l23
ζ2=ζ3, (6)
;E S
x
E S
x2 2
1
3 3
3
2
2
2
2ζ ζ
= (7)
ãдå Еi — мîдóëь Юíãà дëÿ мàòåðèàëà òыëьíîé
íàêëàдêè (i=1), ïьåзîêåðàмèêè (i=2) è ïåðåд-
íåé íàêëàдêè (i=3).
Нà òîðцàõ ïîëóâîëíîâîãî èзëóчàòåëÿ зíàчå-
íèÿ àмïëèòóды êîëåбàíèé дîñòèãàюò ñâîèõ мàê-
ñèмàëьíыõ зíàчåíèé è, ñëåдîâàòåëьíî, èõ ïðî-
èзâîдíыå ðàâíы íóëю, òî åñòь:
— ïðè х=–l21–l1
;
x
01
2
2ζ
= (8)
— ïðè х=l23+l3
0.
x
3
2
2ζ
=
(9)
С èñïîëьзîâàíèåм ýòèõ ñîîòíîшåíèé быëè
ïðîâåдåíы ñîîòâåòñòâóющèå ïðåîбðàзîâàíèÿ, â
ðåзóëьòàòå êîòîðыõ ïîëóчåíы ñëåдóющèå фîð-
мóëы дëÿ îïðåдåëåíèÿ дëèíы íàêëàдîê:
–
–arctg
cos sin
sin cos
l
c
Z
c
l
c
l
Z
c
l
c
l
l1
1
1
1
21
1
21
1
1
21
1
21
21ω ω ω
ω ω
=
+
, (10)
–
–arctg
cos sin
sin cos
l
c
Z
c
l
c
l
Z
c
l
c
l
l3
3
3
3
23
3
23
3
3
23
3
23
23ω ω ω
ω ω
=
+
, (11)
ãдå
;tgZ
E S c
E S c
c
l
2
211
2 2 1
1 1 2 ω= ` j
.tgZ
E S c
E S c
c
l3
2 2 3
3 3 2
2
23
ω= ` j
Зíàчåíèÿ дëèíы ñòàëьíыõ íàêëàдîê дèàмå-
òðîм 12,8 мм, ðàññчèòàííыå ïî фîðмóëàм (10) è
(11) дëÿ óêàзàííыõ âышå ðàзмåðîâ ñåêцèè ïьå-
зîêåðàмèêè ЦÒС-43 (чåòыðå êîëьцà дèàмåòðîм
12 мм è òîëщèíîé 2 мм) ïðè ðåзîíàíñíîé чà-
ñòîòå ïьåзîèзëóчàòåëÿ 92 êГц, ñîñòàâèëè 4 мм
дëÿ òыëьíîé íàêëàдêè è 4,2 мм дëÿ ïåðåдíåé.
Рåзóëьòàòы èñïыòàíèé ïàðòèè èзëóчàòåëåé
(10 шòóê) ñ òàêèмè ðàзмåðàмè ïîêàзàëè ðàзбðîñ
ïî чàñòîòå ±2 êГц îòíîñèòåëьíî зàëîжåííîé â
ðàñчåòå âåëèчèíы, чòî мîжíî ñчèòàòь дîñòàòîч-
íî õîðîшèм ñîãëàñîâàíèåм.
Ðасчет параметров составного волновода
Вîëíîâîд ÿâëÿåòñÿ íàãðóзêîé ïьåзîèзëóчàòå-
ëÿ è ñîåдèíÿåòñÿ ñ íèм ïîñðåдñòâîм ðåзьбîâîé
шïèëьêè. Êîíñòðóêцèÿ êëàññèчåñêîãî âîëíîâîдà
ïðåдñòàâëåíà íà рис. 3. Здåñь èмååòñÿ òðè ñåê-
цèè: ïåðâàÿ, дëèíîé l1, èмååò фîðмó цèëèíдðà
дèàмåòðîм d1; âòîðàÿ, дëèíîé l2, — ïåðåмåí-
íîãî ñåчåíèÿ; òðåòьÿ, дëèíîé l3, — цèëèíдðèчå-
ñêàÿ, дèàмåòðîм d2. Пåðâàÿ ñåêцèÿ ñîåдèíÿåò-
ñÿ ñ íàêëàдêîé ïьåзîèзëóчàòåëÿ, â òðåòьåé ïðî-
èзâîдÿò зàжèм мèêðîèíñòðóмåíòà. Вòîðàÿ ñåê-
цèÿ мîжåò быòь âыïîëíåíà â âèдå êîíóñà, ýêñ-
ïîíåíòы èëè êàòåíîèдà, îдíàêî îчåâèдíî, чòî
ñ òîчêè зðåíèÿ èзãîòîâëåíèÿ íàèбîëåå òåõíîëî-
ãèчíым ÿâëÿåòñÿ êîíóñ. Вñÿ êîíñòðóêцèÿ дëÿ
èñêëючåíèÿ àêóñòèчåñêèõ ïîòåðь âыïîëíÿåòñÿ
êàê îдíî цåëîå.
Сòóïåíчàòыé âîëíîâîд ïðåдñòàâëÿåò дëÿ ïьå-
зîèзëóчàòåëÿ êîмïëåêñíóю íàãðóзêó, ðåàêòèâ-
íàÿ чàñòь êîòîðîé íà ðåзîíàíñíîé чàñòîòå дîëж-
íà быòь ðàâíà íóëю. Äëÿ чàñòîòíîãî àíàëèзà ñî-
ñòàâíîãî âîëíîâîдà âîñïîëьзóåмñÿ ñîîòíîшåíèÿ-
мè дëÿ âõîдíыõ èмïåдàíñîâ êàждîé ñåêцèè âîë-
íîâîдà [8], ïðè ýòîм бóдåм óчèòыâàòь, чòî òðåòьÿ
ñåêцèÿ ÿâëÿåòñÿ íàãðóзêîé дëÿ âòîðîé ñåêцèè ñ
ïåðåмåííым ñåчåíèåм, êîòîðàÿ, â ñâîю îчåðåдь,
ÿâëÿåòñÿ íàãðóзêîé дëÿ ïåðâîé чàñòè âîëíîâîдà.
Рèñ. 3. Êîíñòðóêцèÿ ñòóïåíчàòîãî âîëíîâîдà
Êðåïåжíыé ñòàêàí
l1 l2 l3
d
1
d
2
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2013, ¹ 5
45
ÒÅÕÍÎËÎÃÈЧÅÑÊÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ È ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ
В ïðèâåдåííыõ дàëåå âыðàжåíèÿõ, îïèñы-
âàющèõ âõîдíыå èмïåдàíñы, íàãðóзêà ñîîòâåò-
ñòâóющåé ñåêцèè âîëíîâîдà бóдåò îбîзíàчàòь-
ñÿ êàê ZLi, à åå àêóñòèчåñêèé èмïåдàíñ — Zсi
(Zci=ρSic, ãдå Si — ïëîщàдь ïîïåðåчíîãî ñåчå-
íèÿ ñåêцèè; ρ, с — ïëîòíîñòь мàòåðèàëà è ñêî-
ðîñòь зâóêà â íåм).
Вõîдíîé èмïåдàíñ òðåòьåé ñåêцèè Z3 îïèñы-
âàåòñÿ ñëåдóющèм ñîîòíîшåíèåм [8]:
tg
tg
Z
j
Z
Z
kl
Z jZ kl
1
c
L
L c
3
3
3
3
3 3 3=
+
+
, (12)
ãдå k — âîëíîâîå чèñëî, k=2πf/c;
f — чàñòîòà.
Äëÿ дàëьíåéшåãî àíàëèзà бóдåм ñчèòàòь, чòî
òðåòьÿ ñåêцèÿ âîëíîâîдà íàõîдèòñÿ бåз íàãðóз-
êè, ò. å. ZL3=0, è òîãдà âыðàжåíèå (12) ñâåдåò-
ñÿ ê ñëåдóющåмó:
Z3=jZс3∙tgkl3 . (13)
Пðèмåм, чòî âòîðàÿ ñåêцèÿ èмååò фîðмó êî-
íóñà è ââåдåм ñëåдóющèå îбîзíàчåíèÿ:
М=d1/d2; β=(M–1)/(Мl2); b1=β/k;
b2=β(M–1)/k; b3=1+Mβ2/k2; b4=Mβ/k.
Òîãдà âõîдíîé èмïåдàíñ âòîðîé ñåêцèè бóдåò
îïèñыâàòьñÿ êàê
–
– –
.
cos sin sin
cos sin cos sin
Z
kl b kl j
Z
Z
M kl
jZ b kl b kl Z M kl b kl2
c
L
c L
2
2 4 2
2
2 2
2
2 2 2 3 2
2
2 1 2=
+
+ +6 6@ @
(14)
Пîñêîëьêó íàãðóзêîé ZL2 ýòîé ñåêцèè ÿâëÿ-
åòñÿ âõîдíîé èмïåдàíñ òðåòьåé ñåêцèè Z3, ò. å.
ZL2=Z3, ïîдñòàâèм ñîîòíîшåíèå (13) â (14) è
ïîëóчèм
–
– –
.
cos sin sin
cos sin cos sin
Z
kl b kl j
Z
Z
M kl
jZ b kl b kl Z M kl b kl
c
c
2
2 4 2
2
3 2
2
2 2 2 3 2 3
2
2 1 2=
+
+ +6 6@ @
(15)
Имïåдàíñ Z2, â ñâîю îчåðåдь, ÿâëÿåòñÿ íà-
ãðóзêîé дëÿ ïåðâîé чàñòè âîëíîâîдà, ò. å. ZL1=Z2.
Òîãдà ñ óчåòîм ýòîãî è íà îñíîâàíèè âыðàжåíèÿ
(12) дëÿ èмïåдàíñà цèëèíдðèчåñêîé чàñòè ïî-
ëóчèм âыðàжåíèå дëÿ îбщåãî èмïåдàíñà âîëíî-
âîдà â ñëåдóющåм âèдå:
tg
tg
Z
j
Z
Z
kl
Z jZ kl
1 1
c
c
1
1
2
2 1 1=
+
+ . (16)
С óчåòîм òîãî, чòî âõîдíîé èмïåдàíñ âîëíîâî-
дà Z1 ÿâëÿåòñÿ êîмïëåêñíîé âåëèчèíîé, чàñòîò-
íыé àíàëèз ïðîâîдèòñÿ ãðàфèчåñêè ñ îòîбðàжå-
íèåм мíèмîé чàñòè èмïåдàíñà ImZ1.
Нà рис. 4 ïðèâåдåíы ãðàфèêè, èз êîòîðыõ
âèдíî, чòî êðèâàÿ èмïåдàíñà ïåðåñåêàåò íóëь â
òîчêå, êîòîðàÿ ñîîòâåòñòâóåò ðåзîíàíñíîé чàñòî-
òå 102 êГц, ò. å. íà ýòîé чàñòîòå âîëíîâîд óêà-
зàííыõ ðàзмåðîâ дîëжåí быòь ñîãëàñîâàí ñ ïьå-
зîèзëóчàòåëåм. Фàêòèчåñêàÿ ðåзîíàíñíàÿ чàñòî-
òà ÓЗ-ïðåîбðàзîâàòåëÿ, èзãîòîâëåííîãî â ñîîò-
âåòñòâèè ñ ïðîâåдåííымè ðàñчåòàмè, ïîëóчèëàñь
ðàâíîé 100,6 êГц.
***
Пðåдëîжåííàÿ мåòîдèêà ðàñчåòà ïàðàмåòðîâ
ïîëóâîëíîâîãî ïàêåòíîãî ÓЗ-ïьåзîèзëóчàòåëÿ
ïîâышåííîé чàñòîòы è ñòóïåíчàòîãî âîëíîâîдà,
èмååò ïîãðåшíîñòь íå бîëåå 6—8%. Нåñмîòðÿ íà
òî, чòî ýòî íåñêîëьêî бîëьшå, чåм ïîãðåшíîñòь,
êîòîðóю îбåñïåчèâàюò êîммåðчåñêèå ïðîãðàмм-
íыå ïðîдóêòы òèïà ANSYS (3,5—5,0%), ïðåд-
ëîжåííàÿ мåòîдèêà мîжåò быòь дîñòàòîчíî ýф-
фåêòèâíî èñïîëьзîâàíà дëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ êîí-
Рèñ. 4. Зàâèñèмîñòè мíèмîé чàñòè èмïåдàíñà (1) è ðåзîíàíñíîé чàñòîòы (2) ñòóïåíчàòîãî âîëíîâîдà,
âыïîëíåííîãî èз ñòàëè (d1=7 мм; d2=3,5 мм; l1=49,6 мм; l2=39 мм; l3=6 мм), îò âîëíîâîãî чèñëà k
1
2
1
102 êГц
50,945 66,366 81,787 97,208 112,629 128,050 143,471 158,892 k
ImZ1
750
500
250
0
–250
–500
–750
–1000
f, êГц
120
100
80
60
1
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2013, ¹ 5
46
ÒÅÕÍÎËÎÃÈЧÅÑÊÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ È ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ
ñòðóêцèé ÓЗП è ñîñòàâíыõ âîëíîâîдîâ â шè-
ðîêîм дèàïàзîíå чàñòîò â ñèëó ñâîåé ïðîñòîòы,
óдîбñòâà ïðèмåíåíèÿ è мàëîé ñòîèмîñòè.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСÒОЧНИÊИ
1. Parrini L. Advanced process characterization for 125 kHz
wire bonder ultrasonic transducer // IEEE Transactions on
components and packaging technologies.— 2002.— Vol. 25,
N 3.— P. 486—494.— DOI: 10.1109/TCAPT.2002.803658
2. Chilibon I., Wevers M,, Lafaut J.-P, Ultrasound
underwater transducer for extracor-poreal shock wave
lithotripsy // Romanian Reports in Physics.— 2005.—
Vol. 57, N 4.— P. 979—992.
3. http://www.elpapiezo/ru/rus/piezoceramic/
material/powerultrasound.html
4. Лàíèí В., Пåòóõîâ И., Фåдîðîâ Н. Нàñòðîéêà óëьòðà-
зâóêîâыõ êîëåбàòåëьíыõ ñèñòåм мèêðîñâàðêè ñîåдèíåíèé â
ýëåêòðîíèêå // Òåõíîëîãèè â ýëåêòðîííîé ïðîмышëåííî-
сти.— 2011.— № 50.— С. 66—70. [Lanin V., Petukhov I.,
Fedorov N. // Tekhnologii v elektronnoi promyshlennosti.
2011. N 50. P. 66]
5. Parrini L. New techniques for the design of advanced
ultrasonic transducers for wire bonding // IEEE Transactions
on electronics packaging manufacturing.— 2003.—Vol. 26,
N 1.— P. 37—45.— DOI: 10.1109/TEPM.2003.813001
6. Лàíèí В., Пåòóõîâ И., Мîðдâèíцåâ Ä. Пîâышåíèå
êàчåñòâà мèêðîñâàðíыõ ñîåдèíåíèé â èíòåãðàëьíыõ ñõå-
мàõ ñ èñïîëьзîâàíèåм óëьòðàзâóêîâыõ ñèñòåм ïîâы-
шåííîé чàñòîòы // Òåõíîëîãèè â ýëåêòðîííîé ïðî-
мышленности.— 2010.— № 1.— С. 48—50. [Lanin V.,
Petukhov I., Mordvintsev D. // Tekhnologii v elektronnoi
promyshlennosti. 2010. N 1. P. 48]
7. Òåóмèí И. И. Пðîñòыå ñòåðжíåâыå êîëåбàòåëьíыå ñè-
ñòåмы // В êí.: Óëьòðàзâóêîâыå êîëåбàòåëьíыå ñèñòåмы.—
Мîñêâà: МАШГИЗ, 1959.— С. 87—97. [Teumin I. I. Prostye
sterzhnevye kolebatel'nye sistemy // V kn.: Ul'trazvukovye
kolebatel'nye sistemy.— Moskow: MAShGIZ, 1959. P. 87]
8. McBreartry M., Kim L. H., Bilgutay N. M. Analysis
of impedance loading in ultra-sonic transducer systems //
Ultrasonic Symposium.—1988.— P. 497—502.
Äаòа посòуплеíия рукописи
в редакцию 08.04 2013 г.
_________________________
V. L. Lanin, I. B. Petukhov. Method of calculating
the parameters of ultrasonic super-high-frequency
transducers
Keywords: piezoceramic radiator, waveguide, calcu-
lation of parameters, impedance, microwelding.
The paper presents a method of calculating the pa-
rameters of half-wave package ultrasonic piezoelectric
emitters and step waveguides, which has an error no
more than 6—8%. This method, owing to its simplic-
ity, usability and low cost, can be effectively used
for the design of ultrasonic transducers of different
designs in a wide range of frequencies.
Belarus, Minsk, BHUIR, KBTEM-CO GNPO «Planar».
________________________
В. Л. Лàíіí, І. Б. Пєòóõîâ. Методика розрахунку
параметрів ÓЗ-перетворювачів підвищеної частоти.
Êлючов³ слова: п’єзокерам³чíий випром³íювач, хви-
лев³д, розрахуíок парамеòр³в, ³мпедаíс, м³крозва-
рюваííя.
Зàïðîïîíîâàíî мåòîдèêó ðîзðàõóíêó ïàðàмåòðіâ
íàïіâ õâèëьîâèõ ïàêåòíèõ ÓЗ-ïьєзîâèïðîміíюâàчіâ і
ñòóïіíчàòèõ õâèëåâîдіâ, щî мàє ïîõèбêó íå біëьшå
6—8%. Мåòîдèêà мîжå бóòè дîñèòь åфåêòèâíî âè-
êîðèñòàíà дëÿ ïðîåêòóâàííÿ óëьòðàзâóêîâèõ ïåðå-
òâîðюâàчіâ ðізíèõ êîíñòðóêціé â шèðîêîмó діàïàзî-
íі чàñòîò чåðåз ñâîю ïðîñòîòó, зðóчíіñòь зàñòîñóâàí-
íÿ òà мàëі âèòðàòè.
Біëîðóñь, м. Міíñьê, БГÓІР, ÊБÒЕМ-СО ГНПО
«Пëàíàð».
ÍÎÂÛÅ ÊÍÈÃÈ
Í
Î
Â
Û
Å
Ê
Í
È
ÃÈ
Áард Äж., Êоварик Â. Äж.-мл. Àрхитектура сетей связи на базе програм-
мируемых радиосредств.— Ìîñêâà: Òåõíîñôåðà, 2013.
В êíèãå ðàññмàòðèâàюòñÿ ïðîбëåмы è ïðåèмóщåñòâà, ñâÿзàííыå
ñ ðàзâèòèåм ðàдèîñèñòåм â ñîîòâåòñòâèè ñî ñïåцèфèêàцèåé SCA
(àðõèòåêòóðы ïðîãðàммèðóåмыõ ñðåдñòâ ñâÿзè). Оíà ïðåдñòàâ-
ëÿåò ñîбîé âñåîбъåмëющåå ïðàêòèчåñêîå ââåдåíèå â ïîñòðîåíèå
SCA-ñîâмåñòèмыõ ñèñòåм è ïîмîãàåò чèòàòåëю îñâîèòь èñòîðèчå-
ñêèå è êîíцåïòóàëьíыå îñíîâы, зàïîëíèòь ïðîбåë мåждó цåëью,
ñîдåðжàщåéñÿ â ñïåцèфèêàцèè SCA, è ïðàêòèчåñêèм âîïëîщå-
íèåм. Êíèãà ïðåдíàзíàчåíà дëÿ ïðîãðàммèñòîâ, êîíñòðóêòîðîâ,
ïðîфåññèîíàëьíыõ èññëåдîâàòåëåé, ïðîèзâîдèòåëåé è îïåðàòî-
ðîâ бåñïðîâîдíîé ñâÿзè, à òàêжå дëÿ ñòóдåíòîâ ñòàðшèõ êóð-
ñîâ è àñïèðàíòîâ, èзóчàющèõ мîбèëьíóю è бåñïðîâîдíóю ñâÿзь.
|