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Über dieses Buch

Dieses Buch ist eine einzigartige Sammlung von mehr als 130 Aufgaben und vollständig durchgerechneten Lösungen zur Schaltungsdarstellung - früher Ersatzschaltung -, Analyse und Simulation elektromechanischer und elektroakustischer Systeme. Es ergänzt das Lehrbuch "Elektromechanische Systeme der Mikrotechnik und Mechatronik" und geht dabei weit darüber hinaus mit Aufgaben zu piezoelektrischen Beschleunigungssensoren, Bassreflexboxen, Kondensatormikrofonen, Drehratensensoren, Orgelpfeifen, Flachspulen, magnetostriktiven Biegern, nichtlinearen Mikroventilen oder einem breitbandigen piezoelektrischen Signalgeber. Von der Effizienz der Methoden und Werkzeuge der Elektrotechnik kann sich der Leser auch anhand von online verfügbaren Beispielen für den freien Schaltungssimulator LTSPICE selbst überzeugen.

Die Zielgruppen

Das Buch wendet sich an Studierende der Mess- und Automatisierungstechnik, der Mechatronik, der Informationstechnik, Akustik, Maschinendynamik und der Mikrosystem- und Feinwerktechnik sowie an Ingenieure in der Praxis als Nachschlagewerk.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Das vorliegende Arbeitsbuch ist eng verkoppelt mit dem deutsch- und englischsprachigen Lehrbuch [1] und [15] und wendet sich vorrangig an Ingenieure und Studenten der Elektrotechnik und Informationstechnik, die im Rahmen der Produktentwicklung oder eigener Forschungsarbeiten von Geräten und Komponenten der Mikrotechnik und Mechatronik deren dynamisches Verhalten voraus berechnen wollen. Die betrachteten technischen Aufgabenstellungen, z.B. aus den Gebieten der Prozesstechnik, der Fahrzeugtechnik, dem Maschinenbau, der Medizintechnik und Elektroakustik, sind typischerweise mit elektronischen, mechanischen, akustischen und fluidischen Funktionselementen verknüpft. Diese elektromechanischen Systeme enthalten viele Fragestellungen, die mit den dargestellten Verfahren und Methoden effektiv und gut strukturiert gelöst werden können.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

2. Mechanische Netzwerke

Zur Erleichterung des Einstiegs in die Bearbeitung der anschließend aufgeführten Übungsaufgaben sind in diesem Abschnitt die wichtigsten Beziehungen zur Berechnung translatorischer mechanischer Teilsysteme aufgeführt. Zur Vertiefung des Stoffes wird auf Abschnitt 3.1 im Lehrbuch [1] hingewiesen.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

3. Akustische Netzwerke

Zur Erleichterung des Einstiegs in die Bearbeitung der anschließend aufgeführten Übungsaufgaben sind in diesem Abschnitt die wichtigsten Beziehungen zur Berechnung akustischer Netzwerke aufgeführt. Zur Vertiefung des Stoffes wird auf Abschnitt 3.3 im Lehrbuch [1] hingewiesen.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

4. Mechanisch-akustische Systeme

Die Kopplung von mechanischen und akustischen Netzwerken tritt besonders bei elektroakustischen, pneumatischen und hydraulischen Systemen auf. Kräfte und Bewegungen sollen akustische Drücke und Volumenflüsse erzeugen und umgekehrt. Im einfachsten Fall erfolgt diese Wandlung mit einem starren, masselosen Kolben in einem Rohr. In der Praxis werden meist Membranen mit mechanischer Vorspannung und Biegeplatten verwendet.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

5. Elektromechanische Wandler

Das 6. und 7. Kapitel behandelt Übungsaufgaben zur besonders wichtigen Gruppe der elektromechanischen Wandler. Diese bilden den Kern der elektromechanischen Systeme und verknüpfen entsprechend Abschnitt 1.3, dargestellt in Bild 1.2, das mechanische und elektrische Teilnetzwerk reversibel miteinander. Dabei wird vorausgesetzt, dass die physikalischen Wandlungsmechanismen verlustfrei und näherungsweise linear verlaufen. Der jeweilige Wandlungsmechanismus wird schaltungstechnisch durch transformatorische oder gyratorische Zweitore in Bild 5.1 beschrieben. Zur Kennzeichnung der vollzogenen Energieumwandlung wird der Kopplungsfaktor k eingeführt.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

6. Magnetische Wandler

Der elektrodynamische Wandler gehört zur Gruppe der magnetischen Wandler und ist daher entsprechend Kapitel 5 durch eine transformatorische Verkopplung in Bild 5.2 gekennzeichnet. Das zugehörige Schaltbild des elektrodynamischen Wandlers ist in Bild 6.1 angegeben. Eine federnd aufgehängte Schwingspule bewegt sich in einem durch die magnetische Induktion B 0 durchsetzten Luftspalt. Das Magnetfeld wird durch einen Permanentmagneten oder Ruhestrom erzeugt. Bei der Bewegung der Schwingspule im Magnetfeld wird die Spannung u induziert.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

7. Elektrische Wandler

Der elektrostatische Wandler gehört zur Gruppe der elektrischen Wandler und ist daher entsprechend Kapitel 5 durch ein gyratorisches Zweitor in Bild 5.2 gekennzeichnet.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

8. Wellenleiter

Die bisherige Netzwerkanalyse erfolgte ausschließlich für elektromechanische Systeme mit konzentrierten Bauelementen. Jetzt erfolgt die Erweiterung auf Systeme mit verteilten, also ortsabhängigen Parametern. Im Zeitbereich entspricht das dem Übergang von gewöhnlichen zu partiellen Differentialgleichungen. Diese Erweiterung ist für höhere Frequenzen, bei denen die Wellenlänge der eindimensionalen Dehnwelle in die Größenordnung der Bauelementeabmessungen gelangt, notwendig.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

9. Nichtlineare Netzwerke

Die Aufgaben in den vorangegangenen Kapiteln behandeln ausschließlich lineare Netzwerke. Wesentliche Eigenschaften und Vorzüge dieser Betrachtungsweise sind im ersten Kapitel erklärt. Diese Vorzüge, wie Umkehrbarkeit der Wandler, die die Transformation von Netzwerkelementen über die Wandler hinweg erlaubt, oder die Beibehaltung einer Anregungsfrequenz im gesamten Netzwerk, entfallen, wenn im Netzwerk nichtlineares Verhalten auftritt. SPICE wurde als Simulator für elektronische Schaltungen entwickelt, deren aktiven Elemente meist nichtlineares Verhalten aufweisen. Man kann mit SPICE aber auch das Verhalten nichtlinearer mechanischer, akustischer oder magnetischer Elemente simulieren. Im Ergebnis entstehen beispielsweise zusätzliche Spektralanteile im Frequenzbereich, wenn ein nichtlineares System sinusförmig angeregt wird. Ein solches System ist auch aus diesem Grund nicht umkehrbar. Die folgenden Aufgaben geben einen Ausblick, wie nichtlineare Elemente in SPICE modelliert werden können.
Uwe Marschner, Roland Werthschützky

Backmatter

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