Arno Lenk

Electromechanical Systems in Microtechnology and Mechatronics: Electrical, Mechanical and Acoustic Networks, their Interactions and Applications

▶ Text book for students of graduate and postgraduate level in the fields of microtechnology and precision engineering, technical acoustics, mechatronics, automation engineering Reference book for engineers working in different fields of industries, e.g. measurement and sensor technology, automation engineering, precision engineering, medical engineering, communication engineering Combination with FEM

Mechanische und akustische Teilsysteme

Fur den Entwurf und die Konstruktion von elektromechanischen und elektroakustischen Systemen ist es erforderlich, das dynamische Verhalten schon wahrend der Entwurfsphase zu kennen, da bestimmte dynamische Zielparameter neben anderen Forderungen zu erfullen sind. Aber auch die Kontrolle eines bestehenden Systems erfordert es oft, ein Modell fur das dynamische Verhalten aufzustellen. Mit diesem Modell konnen dann Simulationen ausgefuhrt werden, deren Ergebnisse fur die weiteren Entscheidungen wichtig sind. Um zielgerichtet uber eine Aufgabe nachzudenken oder mit Partnern daruber zu diskutieren ist es ebenfalls sinnvoll, ein Modell zur Verfugung zu haben. Hierfur sind besonders Modelle geeignet, die sich auf das Wesentliche des dynamischen Verhaltens konzentrieren.

Signal Description and Transfer within Linear Networks

With numerical analyses it is not possible to implement the summation over i from 0 to ∞. However, since the a i and b i converge to zero only for i → ∞, a summation up to i = M ≫ 1 generates only an approximation error that can be estimated with (B.1).

Mechanical and Acoustic Networks with Distributed Parameters

The previous network analysis was solely carried out for systems with lumped components. Now an extension to systems with distributed, thus positiondependent parameters is realized. If the wavelength of extensional waves at higher frequencies reaches the order of magnitude of component dimensions, this extension will be inevitable. In the Sects. 6.1 and 6.2, these mechanical and acoustic systems are described as one-dimensional waveguides. The discretized representation in the form of finite network elements takes place in Sect. 6.3. Finally, a method of combined simulation of FEM calculation and network description is presented in Sect. 6.4.

Mechanical and Acoustic Networks with Lumped Parameters

The design and construction of electromechanical and electroacoustic systems necessitates the knowledge of the dynamic behavior during the design phase, since certain dynamic target parameters must be fulfilled among other requirements. Also the control of an existing system often requires the modeling of the dynamic behavior. This model then allows for simulations. The simulation results are important for further decisions. In order to think purposefully about a task or to discuss with partners, an available model is also useful. Models that focus on the important aspects of the dynamic behavior are especially suitable for this purpose.

Characteristics of Selected Materials

Material Characteristics of Crystalline Quartz, Piezoelectric Constants of Sensor Materials, Characteristics of Metallic Structural Materials, Material Characteristics of Silicon and Passivation Layers, Comparison of Main Characteristics of Silicon, Silicon Dioxide and Silicone Nitride Layers

Reciprocity in Linear Networks

In each case, reciprocity relations represent connections between two transfer factors and transfer impedances or admittances of a linear system, respectively. These relations provide a basis for a series of measuring methods and allow in many cases also for the calculation of relations which would be only achieved with large calculating effort otherwise. In networks of a physical structure they are identical to the symmetry of the ρ- and γ-matrices with respect to the main diagonal represented in Sect. 2.2 and Chap. 4. In this chapter, special conclusions are drawn for two-port networks, i.e. for the interconnection of two pairs of coordinates. By means of the well-known characteristics of tranducer two-port networks, it is particularly demonstrated that also reciprocity relations exist for systems which comprise different physical structures. These relations are of particular practical importance.

Abstract Linear Network

Four physical structures resulted from the considerations in the preceding sections which are isomorphic, concerning both the relations between coordinates which describe the system status and the topology of schemes which can be assigned to the structures.

Reziprozität in linearen Netzwerken

Reziprozitatsbeziehungen sind Verknupfungen zwischen jeweils zwei Ubertragungsfaktoren bzw. Ubertragungsimpedanzen oder -admittanzen eines linearen Systems. Diese Beziehungen bilden die Grundlage einer Reihe von Messverfahren und gestatten auserdem in vielen Fallen die Berechnung von Zusammenhangen, die anders nur mit grosem Rechenaufwand zu erreichen waren. In Netzwerken einer physikalischen Struktur sind sie mit der in den Abschnitten 1.4 und 3.4 genannten Symmetrie der ρ- und γ-Matrizen zur Hauptdiagonalen identisch. In diesem Kapitel sollen spezielle Folgerungen fur Vierpole, d. h. fur die Verknupfung von zwei Koordinatenpaaren, gezogen werden. Insbesondere wird mit Hilfe der bekannten Eigenschaften der Wandlervierpole gezeigt, dass auch fur Systeme, die verschiedene physikalische Strukturen enthalten, Reziprozitatsbeziehungen bestehen, die besondere praktische Bedeutung besitzen.

Signalbeschreibung und -übertragung in linearen Netzwerken

Die ortsdiskrete Beschreibung elektrischer, mechanischer und thermodynamischer Systeme einschlieslich ihrer Wechselwirkungen untereinander gestattet die im Bild 1.10 dargestellte Strukturierung in Elementarnetzwerke und Wechselwirkungselemente. Im Kapitel 3 wird gezeigt, wie diese Gleichungen fur jedes Elementarnetzwerk aus den Eigenschaften der Bauelemente und den in jeder Elementarstruktur vorhandenen Bilanzgleichungen aufgefunden werden konnen. Sie sind durch Tafel 2.1 gegeben.