Mobility analogiyasi - Mobility analogy

The harakatchanlik o'xshashligi, ham chaqirdi kirish o'xshashligi yoki Firestone o'xshashligi, bu o'xshash elektr tizim tomonidan mexanik tizimni ifodalash usuli. Buning afzalligi shundaki, murakkab elektr tizimlariga oid, xususan, sohada nazariya va tahlil texnikasining katta qismi mavjud filtrlar.^[1] Elektr vakolatxonasiga aylantirib, elektr maydonidagi ushbu vositalar to'g'ridan-to'g'ri mexanik tizimga o'zgartirilmasdan qo'llanilishi mumkin. Keyinchalik afzallik paydo bo'ladi elektromexanik tizimlar: Bunday tizimning mexanik qismini elektr maydoniga aylantirish butun tizimni bir butun sifatida tahlil qilishga imkon beradi.

Simulyatsiya qilingan elektr tizimining matematik harakati, taqdim etilgan mexanik tizimning matematik harakati bilan bir xildir. Har biri element elektr domenida shunga o'xshash mexanik sohada mos keladigan element mavjud konstitutsiyaviy tenglama. Barcha qonunlari elektron tahlil, kabi Kirchhoff qonunlari, elektr domenida qo'llaniladigan, mexanik harakatchanlik analogiyasiga ham tegishli.

Mobility analogiyasi ikkita asosiy narsalardan biridir mexanik-elektr o'xshashliklari mexanik tizimlarni elektr domenida namoyish qilish uchun ishlatiladi, ikkinchisi esa impedans o'xshashligi. Ushbu ikki usulda voltaj va oqimning rollari teskari bo'lib, ishlab chiqarilgan elektr tasvirlari er-xotin elektronlar bir-birining. Mobility analogiyasi elektr domeniga o'tkazilganda mexanik tizim topologiyasini saqlaydi, ammo impedans o'xshashligi yo'q. Boshqa tomondan, impedans o'xshashligi orasidagi o'xshashlikni saqlaydi elektr impedansi va mexanik impedans harakatchanlik o'xshashligi esa yo'q.

Ilovalar

Mobility analogiyasi xatti-harakatlarini modellashtirish uchun keng qo'llaniladi mexanik filtrlar. Bu elektron sxemada foydalanish uchun mo'ljallangan, ammo butunlay mexanik tebranish to'lqinlari bilan ishlaydigan filtrlar. Transduserlar elektr va mexanik domenlar o'rtasida konvertatsiya qilish uchun filtrning kirish va chiqishida ta'minlanadi.^[2]

Yana bir keng tarqalgan foydalanish - bu ovoz balandlatish moslamalari kabi audio uskunalar sohasida. Dinamiklar transduser va mexanik harakatlanuvchi qismlardan iborat. Akustik to'lqinlarning o'zi mexanik harakat to'lqinlari: havo molekulalari yoki boshqa suyuqlik muhiti.^[3]

Elementlar

Mexanik tizim uchun elektr analogiyasini ishlab chiqishdan oldin, avval uni mavhum deb ta'riflash kerak mexanik tarmoq. Mexanik tizim bir qator ideal elementlarga bo'linadi, ularning har biri keyinchalik elektr analogi bilan bog'lanishi mumkin.^[4] Tarmoq diagrammalarida ushbu mexanik elementlar uchun ishlatiladigan belgilar har bir alohida element bo'yicha quyidagi bo'limlarda ko'rsatilgan.

Birlashtirilgan mexanik o'xshashliklar elektr elementlari shuningdek birlashtirilgan elementlar, ya'ni elementga ega bo'lgan mexanik tarkibiy qism vaqt sarflaydigan darajada kichik deb taxmin qilinadi mexanik to'lqinlar komponentning bir uchidan ikkinchisiga tarqalishini e'tiborsiz qoldirish mumkin. Analogiyalarni ham ishlab chiqish mumkin taqsimlangan elementlar kabi uzatish liniyalari lekin eng katta foyda - bu birlashtirilgan elementlarning sxemalari. Uchta passiv elektr elementi uchun mexanik o'xshashliklar talab qilinadi, ya'ni qarshilik, induktivlik va sig'im. Ushbu o'xshashliklar nimani anglatishi uchun qanday mexanik xususiyat tanlanganligi bilan belgilanadi Kuchlanish va qanday xususiyatni namoyish qilish uchun tanlanganligi joriy.^[5] Harakatlanish analogida kuchlanishning analogi tezlik va oqimning analogi kuch.^[6] Mexanik impedans kuchning tezlikka nisbati sifatida aniqlanadi, shuning uchun u o'xshash emas elektr impedansi. Aksincha, bu analogidir elektr o'tkazuvchanligi, empedansning teskari tomoni. Mexanik kirish tez-tez harakatchanlik,^[7] shuning uchun o'xshashlikning nomi.^[8]

Qarshilik

Damper uchun mexanik belgi (chapda) va uning elektr o'xshashligi (o'ngda).^[9] Belgining ma'nosi a asboblar punkti.^[10]

Elektr qarshiligining mexanik o'xshashligi - bu kabi jarayonlar orqali harakatlanuvchi tizimning energiyasini yo'qotish ishqalanish. A ga o'xshash mexanik komponent qarshilik a amortizator va teskari qarshilikka (o'tkazuvchanlikka) o'xshash xususiyat amortizatsiya (teskari, chunki elektr impedansi mexanik impedansning teskari o'xshashidir). Qarshilikning konstitutsiyaviy tenglamasi tomonidan boshqariladi Ohm qonuni,

${ displaystyle i = vG}$

Mexanik sohadagi o'xshash tenglama quyidagicha:

${ displaystyle F = uR _ { mathrm {m}}}$

qayerda,

G = 1/R o'tkazuvchanlikdir

R qarshilik

v kuchlanishdir

men joriy

R_m mexanik qarshilik yoki amortizatsiya

F kuch

siz kuch bilan indüklenen tezlik.^[10]

Elektr o'tkazuvchanligi haqiqiy qism ning elektr o'tkazuvchanligi. Xuddi shunday, mexanik qarshilik uning haqiqiy qismidir mexanik impedans.^[11]

Induktivlik

Muvofiqlik elementining mexanik belgisi (chapda) va uning elektr o'xshashligi (o'ngda).^[6] Ushbu belgi bahorni uyg'otadigan ma'noga ega.^[12]

Harakatlanish analogiyasidagi indüktansın mexanik o'xshashligi muvofiqlikdir. Mexanikada muhokama qilish ko'proq uchraydi qattiqlik, muvofiqlikning teskari tomoni. An ga o'xshash mexanik komponent induktor a bahor. Induktor konstitutsiyaviy tenglama bilan boshqariladi,

${ displaystyle v = L { frac {di} {dt}}}$

Mexanik sohadagi o'xshash tenglama bu Xuk qonuni,

${ displaystyle u = C _ { mathrm {m}} { frac {dF} {dt}}}$

qayerda,

L induktivlikdir

t vaqt

C_m = 1/S bu mexanik muvofiqlik

S bu qattiqlik^[13]

Induktorning impedansi shunchaki xayoliy va tomonidan berilgan,

${ displaystyle Z = j omega L}$

Shunga o'xshash mexanik ruxsat berilgan,

${ displaystyle Y _ { mathrm {m}} = j omega C _ { mathrm {m}}}$

qayerda,

Z bu elektr impedansidir

j bo'ladi xayoliy birlik

ω bu burchak chastotasi

Y_m bu mexanik impedans.^[14]

Imkoniyatlar

Massa uchun mexanik belgi (chapda) va uning elektr o'xshashligi (o'ngda).^[6] Massa ostidagi kvadrat burchak massaning harakati mos yozuvlar tizimiga nisbatan ekanligini bildirishga qaratilgan.^[15]

Harakatlanish analogidagi sig'imning mexanik o'xshashligi massa. A ga o'xshash mexanik komponent kondansatör katta, qattiq vazn. Kondensator konstitutsiyaviy tenglama bilan boshqariladi,

${ displaystyle i = C { frac {dv} {dt}}}$

Mexanik sohadagi o'xshash tenglama quyidagicha Nyutonning ikkinchi harakat qonuni,

${ displaystyle F = M { frac {du} {dt}}}$

qayerda,

C bu sig'im

M ommaviydir

Kondensatorning impedansi shunchaki xayoliy va quyidagicha beriladi.

${ displaystyle Z = {1 over j omega C}}$

Shunga o'xshash mexanik ruxsat berilgan,

${ displaystyle Y _ { mathrm {m}} = {1 over j omega M}}$.^[16]

Atalet

Qiziqarli qiyinchilik, elektr elementining o'xshashligi kabi massa bilan yuzaga keladi. Bu mexanik tizimlarda massaning tezligi (va eng muhimi, uning tezlashishi) har doim biron bir aniq mos yozuvlar tizimiga, odatda erga qarab o'lchanishi bilan bog'liq. Ikki terminalli tizim elementi sifatida qaralganda, massa '' u '' tezlikda elektr potentsialiga o'xshash bitta terminalga ega. Boshqa terminal nol tezlikda va elektr topraklama potentsialiga o'xshashdir. Shunday qilib, massani asossiz kondansatör analogi sifatida ishlatish mumkin emas.^[17]

Bu olib keldi Malkolm Smit ning Kembrij universiteti 2002 yilda mexanik tarmoqlar uchun yangi energiya saqlash elementini aniqlash harakatsizlik. Inertansga ega bo'lgan komponent an deb nomlanadi ichki. Inerterning ikkita terminali, massadan farqli o'laroq, ikki xil, o'zboshimchalik tezligi va tezlanishiga ega. Inerterning konstitutsiyaviy tenglamasi quyidagicha berilgan.^[18]

${ displaystyle F = B chap ({ frac {du _ { mathrm {2}}} {dt}} - { frac {du _ { mathrm {1}}} {dt}} o'ng) = B { frac {d Delta u} {dt}}}$

qayerda,

F - bu ikkita terminalga qo'llaniladigan teng va qarama-qarshi kuch

B harakatsizlik

siz₁ va siz₂ mos ravishda 1 va 2 terminallaridagi tezliklar

Δsiz = siz₂ − siz₁

Inertans massa bilan bir xil birliklarga ega ( SI tizimi ) va ism uning bilan munosabatini bildiradi harakatsizlik. Smit nafaqat tarmoq nazariy elementini aniqlab berdi, balki u haqiqiy mexanik komponent uchun qurilishni taklif qildi va kichik prototipini yaratdi. Smitning inerti silindrga siljish yoki chiqib ketishga qodir pistonchadan iborat. Piston a ga ulangan raf va pinion silindr ichida volanni harakatga keltiradigan tishli quti. Oldini olish uchun ikkita teskari aylanadigan volan bo'lishi mumkin moment rivojlanmoqda. Pistonni itarishda beriladigan energiya piston qarama-qarshi yo'nalishda harakatlanganda qaytariladi, shuning uchun qurilma uni energiyani shunchaki massa bloki singari tarqatish o'rniga saqlaydi. Biroq, inerterning haqiqiy massasi juda kichik bo'lishi mumkin, ideal inerterning massasi yo'q. Inerterdagi ikkita nuqta, piston va silindr qutisi, mexanik tizimning boshqa qismlariga mustaqil ravishda ulanishi mumkin, ularning ikkalasi ham erga ulanishi shart emas.^[19]

Smitning inerter dasturi ariza topdi Formula-1 J-damper deb ataladigan joyda poyga. U hozirda taqiqlangan alternativa sifatida ishlatiladi sozlangan ommaviy damper va transport vositasini to'xtatib turishning bir qismini tashkil qiladi. Bu birinchi marta yashirincha ishlatilgan bo'lishi mumkin McLaren 2005 yilda Smit bilan hamkorlikdan so'ng. Endi boshqa jamoalar undan foydalanayotganiga ishonishadi. Inerter sozlangan massa damperidan ancha kichik va silliqlashadi aloqa patch shinalardagi o'zgarishlarni yuklash.^[20] Smit, shuningdek, mashina tebranishini kamaytirish uchun inerterdan foydalanishni taklif qiladi.^[21]

Mexanik o'xshashliklarda massa bilan bog'liq bo'lgan qiyinchilik mobillik o'xshashligi bilan chegaralanmaydi. Tegishli muammo impedans analogiyasida ham yuzaga keladi, ammo u holda bu standart elementlar bilan ifodalanib bo'lmaydigan kondansatörler emas, balki asossiz induktorlardir.^[22]

Rezonator

Mexanik rezonator ham ommaviy element, ham moslik elementidan iborat. Mexanik rezonatorlar elektrga o'xshashdir LC davrlari indüktans va sig'imdan iborat. Haqiqiy mexanik komponentlar muqarrar ravishda ham massaga, ham muvofiqlikka ega, shuning uchun rezonatorlarni bitta komponent sifatida yaratish amaliy taklifdir. Darhaqiqat, bitta massa sifatida sof massani yoki sof muvofiqlikni yaratish qiyinroq. Bahorni ma'lum bir muvofiqlik bilan bajarish mumkin va massani minimallashtirish yoki muvofiqlikni minimallashtirish bilan massa qilish mumkin, ammo ularni umuman yo'q qilish mumkin emas. Mexanik rezonatorlar mexanik filtrlarning asosiy tarkibiy qismidir.^[23]

Generatorlar

Doimiy tezlik generatorining mexanik belgisi (chapda) va uning elektr analogi (o'ngda)^[24]

Doimiy quvvat generatori uchun mexanik belgi (chapda) va uning elektr o'xshashligi (o'ngda)^[25]

Analoglar faol elektr elementlari uchun mavjud kuchlanish manbai va joriy manba (generatorlar). Doimiy oqim generatorining harakatchanlik analogiyasidagi mexanik analog doimiy quvvat generatoridir. Doimiy kuchlanish generatorining mexanik analogi doimiy tezlik generatoridir.^[26]

Doimiy quvvat generatoriga misol qilib doimiy quvvat manbai. Amaliy doimiy tezlik generatoriga misol sifatida engil yuklangan kuchli mashina, masalan vosita, haydash a kamar. Bu akkumulyator kabi haqiqiy voltaj manbaiga o'xshaydi, u yukning qarshiligi batareyaning ichki qarshiligidan ancha yuqori bo'lishi sharti bilan yuk bilan doimiy voltaj yaqinida qoladi.^[27]

Transduserlar

Elektromexanik tizimlar talab qilish transduserlar elektr va mexanik domenlar o'rtasida konvertatsiya qilish. Ular o'xshashdir ikki portli tarmoqlar va shunga o'xshashlarni bir vaqtning o'zida tenglamalar juftligi va to'rtta ixtiyoriy parametrlar bilan tavsiflash mumkin. Ko'p sonli vakolatxonalar mavjud, ammo harakatchanlik analogiyasiga eng mos keladigan shakl, qabul qilish birliklarida o'zboshimchalik parametrlariga ega. Matritsa shaklida (elektr tomoni 1-port sifatida qabul qilingan holda), bu quyidagicha ifodalanadi:

${ displaystyle { begin {bmatrix} i u end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} y_ {11} & y_ {12} y_ {21} & y_ {22} end {bmatrix}} { begin {bmatrix} v F end {bmatrix}}}$

Element ${ displaystyle y_ {22} ,}$ qisqa tutashuvli mexanik o'tkazuvchanlik, ya'ni elektr tomonga nol kuchlanish (qisqa tutashuv) tatbiq etilganda transduserning mexanik tomoni tomonidan taqdim etilgan o'tkazuvchanlik. Element ${ displaystyle y_ {11} ,}$, aksincha, yuklanmagan elektr o'tkazuvchanligi, ya'ni mexanik tomon yukni harakatga keltirmasa (nol kuch), elektr tomonga taqdim etilishi. Qolgan ikkita element, ${ displaystyle y_ {21} ,}$ va ${ displaystyle y_ {12} ,}$, transduserni oldinga va teskari uzatish funktsiyalarini mos ravishda tavsiflang. Ularning ikkalasi ham o'xshashdir ruxsatnomalarni o'tkazish va elektr va mexanik miqdorning gibrid nisbati.^[28]

Transformatorlar

A ning mexanik o'xshashligi transformator a oddiy mashina kabi a kasnaq yoki a qo'l. Yukga tatbiq etiladigan kuch, kirishga qarab, kirish kuchidan katta yoki kam bo'lishi mumkin mexanik afzallik mashinaning navbati mos ravishda birlikdan katta yoki kamdir. Mexanik ustunlik, harakatlanish analogiyasidagi transformatorning burilish nisbati bilan teskari tomonga o'xshaydi. Birlikdan kam bo'lgan mexanik afzallik, quvvatni oshiruvchi transformatorga, birlikdan kattaroq, pastga tushadigan transformatorga o'xshaydi.^[29]

Kuch va energiya tenglamalari

Mobillik analogiyasidagi o'xshash quvvat va energiya tenglamalari jadvali

Elektr miqdori	Elektr ifodasi	Mexanik o'xshashlik	Mexanik ifoda
Energiya etkazib beriladi	${ displaystyle E = int vi dt}$	Energiya etkazib beriladi	${ displaystyle E = int Fu dt}$
Elektr ta'minoti	${ displaystyle P = vi}$	Elektr ta'minoti	${ displaystyle P = Fu}$
Rezistorda quvvatni yo'qotish	${ displaystyle P = i ^ {2} R = {v ^ {2} over R}}$	Damperda quvvatni yo'qotish[9]	${ displaystyle P = u ^ {2} R _ { mathrm {m}} = {F ^ {2} over R _ { mathrm {m}}}}$
Induktor magnit maydonida saqlanadigan energiya	${ displaystyle E = { tfrac {1} {2}} Li ^ {2}}$	Bahorda saqlanadigan potentsial energiya[1]	${ displaystyle E = { tfrac {1} {2}} C _ { mathrm {m}} F ^ {2}}$
Kondensator elektr maydonida saqlanadigan energiya	${ displaystyle E = { tfrac {1} {2}} Cv ^ {2}}$	Harakatlanuvchi massaning kinetik energiyasi[1]	${ displaystyle E = { tfrac {1} {2}} Mu ^ {2}}$

Misollar

Oddiy rezonansli elektron

Oddiy mexanik rezonator (chapda) va uning harakatlanish analogining ekvivalenti davri (o'ngda)

Rasmda massa platformasining mexanik joylashuvi ko'rsatilgan M bu qattiqlik bahorida substrat ustida to'xtatilgan S va qarshilikning pasayishi R_m. Mobility analogining ekvivalent sxemasi ushbu tartibning o'ng tomonida ko'rsatilgan va a dan iborat parallel rezonansli elektron. Ushbu tizim a rezonans chastotasi va bo'lishi mumkin tabiiy chastota juda qattiq namlanmagan bo'lsa, tebranish.^[30]

Afzalliklari va kamchiliklari

Mobility analogiyasining uning alternativasiga nisbatan asosiy ustunligi, impedans o'xshashligi, bu mexanik tizim topologiyasini saqlab qolishidir. Mexanik tizimda ketma-ket bo'lgan elementlar elektr ekvivalenti zanjirida ketma-ket va mexanik tizimdagi parallel elementlar elektr ekvivalentida parallel qoladi.^[31]

Harakatlanish analogiyasining asosiy kamchiligi shundaki, u elektr va mexanik impedans o'rtasidagi o'xshashlikni saqlamaydi. Mexanik impedans elektr o'tkazuvchanligi va mexanik qarshilik elektr ekvivalent pallasida elektr o'tkazuvchanligi sifatida ifodalanadi. Kuch kuchlanishga o'xshamaydi (generator kuchlanish tez-tez chaqiriladi elektromotor kuch ), aksincha, bu oqimga o'xshashdir.^[17]

Tarix

Tarixiy jihatdan, impedans o'xshashligi mobillik o'xshashligidan ancha oldin ishlatilgan. Mexanik qabul qilish va unga bog'liq bo'lgan harakatchanlik o'xshashligi 1932 yilda F. A. Firestone tomonidan topologiyalarni saqlash masalasini hal qilish uchun kiritilgan.^[32] V.Xenl mustaqil ravishda Germaniyada xuddi shu fikrga ega edi. Horace M. Trent umuman o'xshashliklarni matematikadan davolashni ishlab chiqdi grafik nazariyasi istiqbolli va o'ziga xos yangi o'xshashlikni taqdim etdi.^[33]

Adabiyotlar

Bibliografiya

• Atkins, Toni; Eskudye, Marsel, Mashinasozlik lug'ati, Oksford universiteti matbuoti, 2013 yil ISBN  0199587434.
• Beranek, Leo Leroy; Mellow, Tim J., Akustika: Ovoz maydonlari va transduserlar, Academic Press, 2012 yil ISBN  0123914213.
• Bush-Vishniak, Ilen J., Elektromexanik sensorlar va aktuatorlar, Springer Science & Business Media, 1999 yil ISBN  038798495X.
• Karr, Jozef J., RF komponentlari va davrlari, Newnes, 2002 yil ISBN  0-7506-4844-9.
• Debnat, M. C .; Roy, T., "Yuzaki bo'lmagan akustik to'lqinli o'tkazgichlarning tarqalish matritsasi", Xalqaro matematika va matematika fanlari jurnali, jild 10, nashr. 3, 563-581, 1987 yil.
• De Groot, Stiven, "Formula-1-dagi damperlar", F1 Texnik, 2008 yil 27 sentyabr.
• Ergl, Jon, Karnay uchun qo'llanma, Kluwer Academic Publishers, 2003 y ISBN  1402075847.
• Faxi, Frank J.; Gardonio, Paolo, Ovoz va strukturaviy tebranish: nurlanish, uzatish va javob berish, Academic Press, 2007 yil ISBN  0080471102.
• Findayzen, Ditmar, Tizim dinamikasi va mexanik tebranishlar, Springer, 2000 yil ISBN  3540671447.
• Firestone, Floyd A., "Mexanik va elektr tizimlar o'rtasidagi yangi o'xshashlik", Amerika akustik jamiyati jurnali, vol. 4, 249-267 betlar (1932-1933).
• Hähnle, W., "Die Darstellung elektromechanischer Gebilde durch rein elektrische Schaltbilder"., Wissenschaftliche Veröffentlichungen aus dem Siemens-Konzern, vol. 1, nashr. 11, 1-23 bet, 1932.
• Klayner, Mendel, Elektroakustika, CRC Press, 2013 yil ISBN  1439836183.
• Pirs, Allan D., Akustika: uning fizik asoslari va qo'llanmalariga kirish, Amerika akustik jamiyati 1989 yil ISBN  0883186128.
• Pusey, Genri C. (ed), 50 yillik zarba va tebranish texnologiyasi, Shok va tebranish ma'lumotlarini tahlil qilish markazi, Booz-Allen & Hamilton, Inc., 1996 y ISBN  0964694026.
• Smit, Malkolm S, "Mexanik tarmoqlarning sintezi: inert", Avtomatik boshqaruv bo'yicha IEEE operatsiyalari, vol. 47, nashr. 10, 1648–1662 betlar, 2002 yil oktyabr.
• Talbot-Smit, Maykl, Ovoz muhandisi ma'lumotnomasi, Teylor va Frensis, 2013 yil ISBN  1136119736.
• Teylor, Jon; Xuang, Qiuting, Elektr filtrlarining CRC qo'llanmasi, CRC Press, 1997 yil ISBN  0849389518.
• Trent, Horace M., "Yo'naltirilgan chiziqli grafikalar va birlashtirilgan fizik tizimlar o'rtasidagi izomorfizmlar", Amerika akustik jamiyati jurnali, vol. 27, 500-527 betlar, 1955.