Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях

Вперше запропоновано метод визначення електрорушiйної сили п’єзоелектричних перетворювачiв при довiльних у часi механiчних навантаженнях. A method of determination of the electromotive force of piezoelectric transformers under mechanical loadings arbitrary in time is first offered....

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2009
Main Author: Шульга, М.О.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2009
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7734
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях / М.О. Шульга // Доп. НАН України. — 2009. — № 1. — С. 70-74. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859645372554543104
author Шульга, М.О.
author_facet Шульга, М.О.
citation_txt Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях / М.О. Шульга // Доп. НАН України. — 2009. — № 1. — С. 70-74. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
collection DSpace DC
description Вперше запропоновано метод визначення електрорушiйної сили п’єзоелектричних перетворювачiв при довiльних у часi механiчних навантаженнях. A method of determination of the electromotive force of piezoelectric transformers under mechanical loadings arbitrary in time is first offered.
first_indexed 2025-12-07T13:26:44Z
format Article
fulltext УДК 539.226.86 © 2009 Член-кореспондент НАН України М. О. Шульга Визначення електрорушiйної сили п’єзоелектричних перетворювачiв при механiчних навантаженнях Вперше запропоновано метод визначення електрорушiйної сили п’єзоелектричних пере- творювачiв при довiльних у часi механiчних навантаженнях. При механiчному навантаженнi п’єзоелектричних перетворювачiв останнi працюють в ре- жимi прямого п’єзоефекту i є джерелом електричного струму. Електрична напруга на ро- зiмкнутих електродах п’єзоелектричного елемента буде електрорушiйною силою джерела струму. Закiнченого алгоритму визначення електрорушiйної сили при довiльних за часом навантаженнях не iснує. В данiй роботi запропоновано метод розв’язання цiєї задачi. Розглянемо п’єзоелектричну пластину товщиною 2h з цилiндричною бiчною поверх- нею Sб. Введемо декартову прямокутну систему координат x1, x2, x3. Граничнi площини x3 = ±h пластини покритi електродами. Пружноелектричний деформований стан п’єзо- електричного тiла описується [5] рiвняннями ∂σ1k ∂x1 + ∂σ2k ∂x2 + ∂σ3k ∂x3 = ρ ∂2uk ∂t2 , (1) ∂D1 ∂x1 + ∂D2 ∂x2 + ∂D3 ∂x3 = 0, (2) якi замикаються матерiальними залежностями σij = cE ijmnKmn − ekijEk, Di = eimnKmn + εS ikEk (3) та формулами 2Kmn = ∂um ∂xn + ∂un ∂xm , Ek = − ∂ϕ ∂xk . (4) Початковi умови [4] приймемо нульовими uj(x, t = 0) = 0, u̇j(x, t = 0) = 0. (5) Граничнi умови на бiчнiй поверхнi Sб пластини вiзьмемо у виглядi σnxk (Sб, t) = pk(Sб, t), (6) Dn(Sб, t) = 0, (7) де pk(Sб, t) — задане механiчне навантаження; n — зовнiшня одинична нормаль до цилiнд- ричної бiчної поверхнi Sб, а на площинах x3 = ±h σ3j(x1, x2, x3 = ±h, t) = 0, (8) 70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №1 ϕ(x1, x2, x3 = ±h, t) = ±ξ(t). (9) Невiдома функцiя ξ(t) — електрорушiйна сила перетворювача як джерела електричного струму. Для її визначення треба скористатися, як це робиться в електротехнiцi, умовою рiвностi нулю струму при розiмкнутих електродах [5] © ∫∫ S+ Ḋ3(x1, x2, x3 = +h, t) dS+ = 0, (10) де S+ — область, покрита електродом на площинi x3 = +h. Перш за все розглянемо випадок гармонiйних коливань з циклiчною частотою ω, коли всi функцiї можна подати у виглядi f(x1, x2, x3, t) = Re fa(x1, x2, x3) exp(−iωt). Для комп- лексних амплiтудних величин з (1)–(4) одержимо систему рiвнянь ∂iσ a ik + ρω2ua k = 0, ∂iD a i = 0, σa ij = cE ijmnKa mn − ekijE a k , Da i = eimnKa mn + εS ikE a k , 2Ka mn = ∂mua n + ∂nua m, Ea k = −∂kϕ a (11) при граничних умовах σa nxk (Sб) = pa k(Sб), Da n(Sб) = 0 (12) на бiчнiй поверхнi Sб та σa 3j(x1, x2, x3 = ±h) = 0, ϕa(x1, x2, x3 = ±h) = ±ξa (13) на площинах x3 = ±h. При усталених коливаннях початковi умови ставити не потрiбно. Умова рiвностi нулевi струму при розiмкнутих електродах (10) тепер запишеться так: © ∫∫ S+ Da(x1, x2, x3 = +h) dS+ = 0. (14) Шукатимемо розв’язок задачi у виглядi суперпозицiї двох розв’язкiв ua j = u a(1) j + ξau a(2) j , ϕa = ϕa(1) + ξaϕa(2). (15) Обидва розв’язки u a(k) j , ϕa(k) повиннi задовольняти рiвняння (11). Для першого розв’яз- ку граничнi умови приймаються у виглядi σa(1) nxk (Sб) = pa k(Sб), Da(1) n (Sб) = 0, σ a(1) 3j (x1, x2, x3 = ±h) = 0, ϕa(1)(x1, x2, x3 = ±h) = 0, (16) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №1 71 тодi як для другого розв’язку — σa(2) nxk (Sб) = 0, Da(2) n (Sб) = 0, σ a(2) 3j (x1, x2, x3 = ±h) = 0, ϕa(2)(x1, x2, x3 = ±h) = ±1. (17) В цьому разi сумарний розв’язок (15) буде задовольняти граничнi умови (12), (13). Тепер з умови (14) знаходимо алгебраїчне рiвняння для визначення амплiтуди електро- рушiйної сили ξa © ∫∫ S+ Da(1)(x1, x2, x3 = h) dS+ + ξa © ∫∫ S+ Da(2)(x1, x2, x3 = h) dS+ = 0. (18) За таким алгоритмом знаходилась електрорушiйна сила (електромеханiчна чутливiсть) в роботах [1, 3, 6]. При довiльному механiчному навантаженнi для визначення електрорушiйної сили ско- ристаємося iнтегральним перетворенням Лапласа [2] fL(. . . , p) = ∞∫ 0 f(. . . , t)e−pt dt, f(. . . , t) = 1 2πi a++i∞∫ a+ −i∞ fL(. . . , p)ept dp, t > 0, (19) де a+ > a, якщо функцiя f(. . . , t)e−at обмежена при t → ∞. Застосовуючи перетворення Лапласа до рiвнянь (1)–(4), одержимо ∂iσ L ik − ρp2uL k = 0, ∂iD L i = 0, σL ij = cE ijmnKL mn − ekijE L k , DL i = eimnKL mn + εS ikE L k , 2KL mn = ∂muL n + ∂nuL m, EL k = −∂kϕ L, (20) де врахованi нульовi початковi умови (5). Граничнi умови (6)–(9) в просторi зображень будуть такi: σL nxk (Sб, p) = pL k (Sб, p), DL n (Sб, p) = 0 (21) на бiчнiй поверхнi Sб та σL 3j(x1, x2, x3 = ±h, p) = 0, ϕa(x1, x2, x3 = ±h, p) = ±ξa(p) (22) на електродованих площинах x3 = ±h. 72 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №1 Зауважимо також, що перехiд вiд простору оригiналiв до простору зображень ще раз пiдтверджує те положення [4], що в початково-крайових задачах електропружностi почат- ковi умови для електричного потенцiалу задавати не потрiбно. Розв’язок задачi знову шукаємо у виглядi суперпозицiї двох розв’язкiв uL j = u L(1) j + ξLu L(2) j , ϕL = ϕL(1) + ξLϕL(2). (23) Обидва розв’язки u L(k) j , ϕL(k) повиннi задовольняти рiвняння (20). Для першого розв’яз- ку граничнi умови приймаємо у виглядi σL(1) nxk (Sб, p) = pL k (Sб, p), DL(1) n (Sб, p) = 0, σ L(1) 3j (x1, x2, x3 = ±h, p) = 0, ϕL(1)(x1, x2, x3 = ±h, p) = 0, (24) тодi як для другого розв’язку — σL(2) nxk (Sб, p) = 0, DL(2) n (Sб, p) = 0, σ L(2) 3j (x1, x2, x3 = ±h, p) = 0, ϕL(2)(x1, x2, x3 = ±h, p) = 1. (25) У такому випадку сумарний розв’язок (23) задовольнятиме граничнi умови (21), (22). Користуючись теоремою Бореля про згортку [2], оригiнал розв’язку (23) можна подати у виглядi uj(. . . , t) = u (1) j (. . . , t) + t∫ 0 ξ(τ)u (2) j (. . . , t − τ) dτ, ϕ(. . . , t) = ϕ(1)(. . . , t) + t∫ 0 ξ(τ)ϕ(2)(. . . , t − τ) dτ. (26) Тепер умова (10) запишеться так: © ∫∫ S+ Ḋ (1) 3 (x1, x2, x3 = +h, t) dS+ + t∫ 0 ξ(τ) © ∫∫ S+ Ḋ (2) 3 (x1, x2, x3 = +h, t − τ) dS+dτ = 0 (27) при ξ(0) = 0. Отже, для визначення електрорушiйної сили ξ(t) одержали iнтегральне рiв- няння Вольтерра першого роду (27). Зауважимо, що розв’язки w(k)(. . . , t) не обов’язково шукати операцiйним методом, а можна скористатися iншими способами. Змiст викладеного алгоритму при довiльнiй змiнi за часом механiчного навантаження можна трактувати i таким чином: якщо вiдома реакцiя на одиничне електричне збурення (другий розв’язок), то реакцiя на довiльне збурення ξ(t) визначається згорткою (iнтегралом Дюамеля) (26). ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №1 73 1. Болкисев А.М., Рудницкий С.И., Шульга Н.А. Электроакустическая чувствительность пьезокерами- ческого цилиндра при гармоническом нагружении // Прикл. механика. – 1989. – 25, № 12. – С. 68–73. 2. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. – Москва: Высш. шк., 1966. – 406 с. 3. Евсейчик Ю. Б, Рудницкий С.И., Шарапов В.М., Шульга Н.А. Чувствительность биморфного пре- образователя типа металл — пьезокерамика // Прикл. механика. – 1990. – 26, № 12. – С. 67–75. 4. Шульга М.О. Про варiацiйний принцип Гамiльтона–Остроградського i початково-крайовi задачi еле- ктропружностi // Доп. НАН України. – 2008. – № 7. – С. 76–81. 5. Шульга Н.А., Болкисев А.М. Колебания пьезокермических тел. – Киев: Наук. думка, 1990. – 228 с. 6. Шульга Н.А., Рудницкий С.И., Качаенко О.Б. Электроакустическая чувствительность пьезокера- мической цилиндрической оболочки в акустической среде // Прикл. механика. – 1989. – 25, № 2. – С. 44–48. Надiйшло до редакцiї 13.03.2008Iнститут механiки iм. С.П. Тимошенка НАН України, Київ Corresponding Member of the NAS of Ukraine M. O. Shul’ga Determination of the electromotive force of piezoelectric transformers on mechanical loads A method of determination of the electromotive force of piezoelectric transformers under mechanical loadings arbitrary in time is first offered. 74 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №1
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7734
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-07T13:26:44Z
publishDate 2009
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Шульга, М.О.
2010-04-12T11:25:54Z
2010-04-12T11:25:54Z
2009
Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях / М.О. Шульга // Доп. НАН України. — 2009. — № 1. — С. 70-74. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7734
539.226.86
Вперше запропоновано метод визначення електрорушiйної сили п’єзоелектричних перетворювачiв при довiльних у часi механiчних навантаженнях.
A method of determination of the electromotive force of piezoelectric transformers under mechanical loadings arbitrary in time is first offered.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Механіка
Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
Determination of the electromotive force of piezoelectric transformers on mechanical loads
Article
published earlier
spellingShingle Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
Шульга, М.О.
Механіка
title Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
title_alt Determination of the electromotive force of piezoelectric transformers on mechanical loads
title_full Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
title_fullStr Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
title_full_unstemmed Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
title_short Визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
title_sort визначення електрорушійної сили п'єзоелектричних перетворювачів при механічних навантаженнях
topic Механіка
topic_facet Механіка
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7734
work_keys_str_mv AT šulʹgamo viznačennâelektrorušíinoísilipêzoelektričnihperetvorûvačívprimehaníčnihnavantažennâh
AT šulʹgamo determinationoftheelectromotiveforceofpiezoelectrictransformersonmechanicalloads