Aufgaben und Lösungen zur Schaltungsdarstellung und Simulation elektromechanischer Systeme: in Mikrotechnik und Mechatronik
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| Format: | Book |
| Language: | German |
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Berlin [u.a.]
Springer Vieweg
2015
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| Series: | Lehrbuch
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INHALTSVERZEICHNIS
SYMBOLVERZEICHNIS XV
1 EINFUEHRUNG 1
1.1 GEGENSTAND DES BUCHES 1
1.2 MERKMALE DER NETZWERKBESCHREIBUNG 3
1.3 STRUKTURIERTE NETZWERKDARSTELLUNG LINEARER DYNAMISCHER SYSTEME. 4
1.4 GRUNDGLEICHUNGEN LINEARER NETZWERKE 5
1.5 VORZUEGE DER NETZWERKMODELLIERUNG 7
1.5.1 SYSTEME UEBERBLICKEN UND VERSTEHEN 7
1.5.2 SYSTEME SCHNELL ANALYSIEREN 9
1.5.3 EINFLUSSPARAMETER BESTIMMEN UND SYSTEME OPTIMIEREN. . 12
1.5.4 ROBUSTE SYSTEME ENTWERFEN 14
1.5.5 MESSEN AUF BASIS DER UMKEHRBARKEIT LINEARER NETZWERKE . . 15
1.5.6 FINITE-ELEMENTE-MODELLE VEREINFACHEN 17
2 MECHANISCHE NETZWERKE 19
2.1 TRANSLATORISCHE TEILSYSTEME 19
2.1.1 GRUNDBEZIEHUNGEN TRANSLATORISCHER TEILSYSTEME 19
2.1.2 UEBUNGSAUFGABEN FUER TRANSLATORISCHE MECHANISCHE SYSTEME . 24
AUFGABE 2.1 WEG, GESCHWINDIGKEIT UND BESCHLEUNIGUNG 24
AUFGABE 2.2 PARALLEL-RESONANZKREIS IN DER KOMPLEXEN EBENE . 26
AUFGABE 2.3 ARBEITEN MIT KOMPLEXEN GROESSEN 27
AUFGABE 2.4 DYNAMISCHES VERHALTEN PASSIVER NETZWERKELEMENTE. . 29
AUFGABE 2.5 SIMULATION DES EINRASTENS EINER FEDER 32
AUFGABE 2.6 ZEITVERHALTEN EINES FEDER-MASSE-DAEMPFER-SYSTEMS. . 34
AUFGABE 2.7 MECHANISCHER PARALLELRESONANZKREIS 36
AUFGABE 2.8 KENNGROESSEN EINES MECHANISCHEN RESONANZSYSTEMS . . 37
AUFGABE 2.9 ABLEITUNG MECHANISCHER SCHEMATA UND SCHALTUNGEN . 39
AUFGABE 2.10 MECHANISCHE NETZWERKE REALER SYSTEME 42
AUFGABE 2.11 MECHANIK EINES BESCHLEUNIGUNGSSENSORS 46
AUFGABE 2.12 RESONANZFREQUENZ EINES FEDER-MASSE-SYSTEMS . 48
IX
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X
INHALTSVERZEICHNIS
AUFGABE 2.13 SCHWINGUNGSDAEMPFUNG MIT WEICHER UNTERLAGE . 48
AUFGABE 2.14 SCHWINGUNGSSYSTEM MIT KRAFTQUELLE 50
AUFGABE 2.15 SCHWINGUNGSSYSTEM MIT BEWEGUNGSQUELLE 52
AUFGABE 2.16 PASSIVER SCHWINGUNGSTILGER 54
AUFGABE 2.17 BESTIMMUNG DES KOMPLEXEN E-MODULS 61
AUFGABE 2.18 MECHANISCHE QUELLEN UNTERSCHIEDLICHER FREQUENZ . . 63
AUFGABE 2.19 IMPEDANZBEHAFTETE MECHANISCHE QUELLE 65
AUFGABE 2.20 SHAKER-ANKOPPLUNG 68
AUFGABE 2.21 RESONANZFREQUENZ, KENN- UND AUSSCHWINGFREQUENZ. 71
2.2 ARBEITEN MIT DEM BODE-DIAGRAMM 81
AUFGABE 2.22 RECHNEN MIT PEGELN IM
BODE
-DIAGRAMM 86
AUFGABE 2.23 BODE-DIAGRAMME VON ELEMENTAR-FILTERN 86
AUFGABE 2.24 BODE-DIAGRAMM EINER MECHANISCHEN WAAGE 88
AUFGABE 2.25
BODE
-DIAGRAMM EINES BESCHLEUNIGUNGSSENSORS. 89
AUFGABE 2.26
BODE
-DIAGRAMM EINES FEDER-MASSE-DAEMPFER-
SYSTEMS 91
AUFGABE 2.27
BODE
-DIAGRAMM EINES FEDER-MASSE-DAEMPFER-
SYSTEMS MIT NACHGIEBIGER ANREGUNG 94
AUFGABE 2.28
BODE
-DIAGRAMM-ANALYSE EINES KRAFITMIKROSKOPS. . 97
2.3 TRANSLATORISCHE SYSTEME MIT HEBEL 100
2.3.1 BAUELEMENT HEBEL 100
2.3.2 UEBUNGSAUFGABEN FUER SYSTEME MIT HEBEL 102
AUFGABE 2.29 HEBEL MIT BELASTUNG DURCH REIBUNGSELEMENTE 102
AUFGABE 2.30 HEBEL MIT BELASTUNG DURCH FEDER 103
AUFGABE 2.31 MODELLIERUNG EINES TRANSFORMATORS MIT QUELLEN . 104
AUFGABE 2.32 HEBEL MIT FEDER-, MASSE- UND REIBUNGSBELASTUNG . . 105
AUFGABE 2.33 MECHANISCHES SCHWINGUNGSSYSTEM MIT HEBEL . 107
AUFGABE 2.34 HEBEL MIT UBER FEDEM WIRKENDER MASSEBELASTUNG . . 110
AUFGABE 2.35 IM DREHPUNKT NACHGIEBIG GELAGERTER HEBEL 111
AUFGABE 2.36 ELASTISCHER HEBEL 113
AUFGABE 2.37 MASSEBEHAFTETER STARRER HEBEL 115
2.4 ROTATORISCHE SYSTEME 116
2.4.1 GRUNDBEZIEHUNGEN 116
2.4.2 UEBUNGSAUFGABEN FUER ROTATORISCHE MECHANISCHE TEILSYSTEME. 120
AUFGABE 2.38 ROTATORISCHE IMPEDANZ EINES STABES 120
AUFGABE 2.39 STIRNRADGETRIEBE MIT DREHMASSE 121
AUFGABE 2.40 ROTATORISCHER SCHWINGUNGSTILGER EINER TURBINE . 122
AUFGABE 2.41 KUPPLUNG 126
AUFGABE 2.42 DREHSCHWINGER MIT ZUSATZMASSE 128
2.5 TRANSLATORISCH-ROTATORISCHE WANDLER 132
2.5.1 IDEALER STAB ALS TRANSLATORISCH-ROTATORISCHER WANDLER 132
2.5.2 UEBUNGSAUFGABEN FUER SYSTEME MIT IDEALEM STAB 133
AUFGABE 2.43 IMPEDANZ EINER BLATTFEDERBELASTETEN WELLE 133
AUFGABE 2.44 PENDEL 134
AUFGABE 2.45 PENDELSCHWINGUNGSTILGER 137
INHALTSVERZEICHNIS XI
AUFGABE 2.46 HANTELSCHWINGER MIT DREHFEDER 142
2.5.3 BIEGEBALKEN ALS TRANSLATORISCH-ROTATORISCHER WANDLER 148
2.5.4 UEBUNGSAUFGABEN FUER SYSTEME MIT BIEGEBALKEN 148
AUFGABE 2.47 BLATTFEDER 148
AUFGABE 2.48 NACHGIEBIGKEIT EINES FEST EINGESPANNTEN BIEGERS . 149
AUFGABE 2.49 NACHGIEBIGKEIT EINES DREHBAR GELAGERTEN BIEGERS . 151
AUFGABE 2.50 BIEGER ALS MOMENTENQUELLE 152
AUFGABE 2.51 BIEGENACHGIEBIGKEIT EINES BIMORPH 153
AUFGABE 2.52 SPIRALFEDER MIT UNRUH 155
AUFGABE 2.53 ENDLICHER BIEGER MIT DREHMASSE 157
AUFGABE 2.54 ZWEITORDARSTELLUNG EINES HEBELS MIT BIEGEBALKEN . . 161
2.6 HOCHACHSEN-ROTATORISCHE SYSTEME 164
2.6.1 NETZWERKDARSTELLUNG 164
2.6.2 UEBUNGSAUFGABEN FUER HOCHACHSEN-ROTATORISCHE SYSTEME . . . 165
AUFGABE 2.55 IM INERTIALSYSTEM RUHENDE PUNKTMASSE 165
AUFGABE 2.56 FUNKEN EINES TRENNSCHLEIFERS 167
AUFGABE 2.57 MIKROMECHANISCHER DREHRATENSENSOR 169
3 AKUSTISCHE NETZWERKE 171
3.1 GRUNDBEZIEHUNGEN ZUR BERECHNUNG AKUSTISCHER TEILSYSTEME 171
3.2 UEBUNGSAUFGABEN ZUR BERECHNUNG AKUSTISCHER SYSTEME 175
AUFGABE 3.1 AKUSTISCHE BAUELEMENTE IM FREQUENZBEREICH 175
AUFGABE 3.2 THERMISCHE ZUSTANDSGIEICHUNG FUER GASE 176
AUFGABE 3.3 KOMPRESSION EINES GASGEFUELLTEN HOHLRAUMS 177
AUFGABE 3.4 AKUSTISCHE IMPEDANZ EINES DUENNWANDIGEN ROHRES . 180
AUFGABE 3.5 HELMHOLTZ-RESONANZABSORBER IN DER BAUAKUSTIK . . 181
AUFGABE 3.6 ROHRSYSTEM MIT HOHLRAEUMEN 182
AUFGABE 3.7 NETZWERKDARSTELLUNG EINER AKUSTISCHEN BRUECKE 184
AUFGABE 3.8 SCHWINGUNGSANALYSE EINES WASSERGEFUELLTEN U-ROHRS . 185
AUFGABE 3.9 UEBERTRAGUNGSVERHALTEN EINES PASSIVEN LUFTDAEMPFERS . 188
AUFGABE 3.10 PISTONFON ZUR MIKROFON-KALIBRIERUNG 190
AUFGABE 3.11 KONDENSATORMIKROFON 192
AUFGABE 3.12 FREQUENZABHAENGIGE IMPEDANZ DES SCHALLFELDES . . 195
AUFGABE 3.13 T-SCHALTUNG ZWISCHEN ZWEI OEFFNUNGEN 196
AUFGABE 3.14 AKUSTISCHE BAUELEMENTE EINER MEMBRAN 198
AUFGABE 3.15 KESSELPAUKE 201
4 MECHANISCH-AKUSTISCHE SYSTEME 205
4.1 GRUNDBEZIEHUNGEN ZUR BERECHNUNG MECHANISCH-AKUSTISCHER
WANDLER 205
4.2 UEBUNGSAUFGABEN MIT MECHANISCH-AKUSTISCHEN WANDLERN 208
AUFGABE 4.1 AKUSTISCHE IMPEDANZ EINER FEDERNDEN PLATTE 208
AUFGABE 4.2 NETZWERK EINES HOHLRAUMS MIT FEDERNDER PLATTE . 209
AUFGABE 4.3 SCHWINGENDER ZYLINDER MIT KOLBENWANDLER 211
AUFGABE 4.4 NETZWERK EINES KOLBENWANDLERS 213
XII INHALTSVERZEICHNIS
AUFGABE 4.5 KOLBENWANDLER MIT LECKSTROEMUNG 214
AUFGABE 4.6 UEBERTRAGUNGSVERHALTEN EINER DRUCKMESSEINRICHTUNG. . 216
AUFGABE 4.7 OELGEFUELLTE MINIATURISIERTE DRUCKSENSOREN 220
AUFGABE 4.8 BIEGEPLATTE 224
AUFGABE 4.9 EXPERIMENTE AM ELASTOMECHANISCHEN PLATTENWANDLER . 227
AUFGABE 4.10 ZWEI BIEGEPLATTEN IM ROHR 229
AUFGABE 4.11 LUFTDAEMPFUNGSELEMENT MIT ZAEHEM MEDIUM 231
5 ELEKTROMECHANISCHE WANDLER 241
5.1 GRUNDLAGEN 241
5.2 ANWENDUNGSBEISPIEL 244
AUFGABE 5.1 CHARAKTERISIERUNG ELEKTROMECHANISCHER WANDLER. 244
6 MAGNETISCHE WANDLER 247
6.1 ELEKTRODYNAMISCHER WANDLER 247
6.1.1 GRUNDBEZIEHUNGEN ELEKTRODYNAMISCHER WANDLER 247
6.1.2 ANWENDUNGSBEISPIELE ZUM ELEKTRODYNAMISCHEN WANDLER . . 248
AUFGABE 6.1 ELEKTRODYNAMISCHER SCHWINGTISCH (SHAKER) 248
AUFGABE 6.2 ELEKTRODYNAMISCHER LINEARAKTOR 254
AUFGABE 6.3 ELEKTRODYNAMISCHER KALIBRIER-SCHWINGTISCH 256
AUFGABE 6.4 ELEKTRODYNAMISCHER LAUTSPRECHER 259
AUFGABE 6.5 UEBERTRAGUNGSVERHALTEN EINER BASSREFLEXBOX 263
6.2 PIEZOMAGNETISCHE WANDLER 268
6.1.1 GRUNDBEZIEHUNGEN PIEZOMAGNETISCHER WANDLER 268
6.1.2 ANWENDUNGSBEISPIELE ZUM PIEZOMAGNETISCHEN WANDLER. . 270
AUFGABE 6.6 ZYLINDERSPULE 270
AUFGABE 6.7 FLACHSPULE AUF DICKER MAGNETISCHER SCHICHT 271
AUFGABE 6.8 FLACHSPULE AUF DUENNER MAGNETISCHER SCHICHT 273
AUFGABE 6.9 MAGNETOSTRIKTIVER DICKENSCHWINGER 274
AUFGABE 6.10 PIEZOMAGNETISCHER UNIMORPH ALS AKTOR 277
7 ELEKTRISCHE WANDLER 283
7.1 ELEKTROSTATISCHE WANDLER 283
7.1.1 GRUNDBEZIEHUNGEN ELEKTROSTATISCHER WANDLER 283
7.1.2 ANWENDUNGSBEISPIELE ZUM ELEKTROSTATISCHEN WANDLER . 285
AUFGABE 7.1 KONDENSATORPLATTEN MIT NACHGIEBIGKEIT 285
AUFGABE 7.2 TASTSONDE 289
AUFGABE 7.3 BIEGEZUNGE ALS ELEKTROMECHANISCHES FILTER 291
AUFGABE 7.4 UEBERTRAGUNGSVERHALTEN EINES KONDENSATORMIKROFONS . 295
AUFGABE 7.5 ELEKTRONISCHES STETHOSKOP 298
7.2 PIEZOELEKTRISCHE WANDLER 304
7.2.1 GRUNDBEZIEHUNGEN PIEZOELEKTRISCHER WANDLER 304
7.2.2 ANWENDUNGSBEISPIELE ZUM PIEZOELEKTRISCHEN WANDLER . 307
AUFGABE 7.6 PIEZOELEKTRISCHE MATERIALIEN 307
AUFGABE 7.7 MECHANISCHES DEHNUNGSFELD 309
INHALTSVERZEICHNIS XIII
AUFGABE 7.8 FELD- UND INTEGRALE GROESSEN BEIM PIEZOELEKTRISCHEN
LAENGS-UND DICKENSCHWINGER 311
AUFGABE 7.9 FORMAENDERUNG EINES PIEZOELEKTRISCHEN ELEMENTES . . . 313
AUFGABE 7.10 UMKEHRBARKEIT ELEKTRISCHER WANDLER 315
AUFGABE 7.11 MODELLIERUNG EINES GYRATORS MIT QUELLEN 317
AUFGABE 7.12 ALLSEITIG DRUCKBELASTETE PIEZOSCHEIBE 319
AUFGABE 7.13 PIEZOSCHEIBEN IN EINEM MIT WASSER GEFUELLTEN GEFAESS 323
AUFGABE 7.14 PIEZOELEKTRISCHER BIMORPH 325
AUFGABE 7.15 PIEZOELEKTRISCHER AKTOR EINES TUNNELMIKROSKOPS. . . 327
AUFGABE 7.16 ABTASTSYSTEM EINES KRAFTMIKROSKOPS 331
AUFGABE 7.17 PIEZOELEKTRISCHER BESCHLEUNIGUNGSSENSOR 332
AUFGABE 7.18 PIEZOELEKTRISCHES MIKROFON MIT BIMORPH 335
AUFGABE 7.19 PIEZOELEKTRISCHER SIGNALGEBER 338
8 WELLENLEITER 343
8.1 DEHNWELLENLEITER 343
8.1.1 EINDIMENSIONALE DEHNWELLEN IN EINEM STAB 343
8.1.2 ANWENDUNGSBEISPIELE ZUM DEHNWELLENLEITER 345
AUFGABE 8.1 ZWEISTUFIGES FEDER-MASSE-SYSTEM 345
AUFGABE 8.2 WELLENLEITERABSCHLUSS 349
AUFGABE 8.3 ALUMINIUMSTAB ALS DEHNWELLENLEITER 350
AUFGABE 8.4 DEHNWELLENLEITER MIT ZUSATZMASSE 354
AUFGABE 8.5 ALUMINIUMSTAB ALS A/2-SCHWINGER 356
AUFGABE 8.6 PIEZOELEKTRISCHER DICKENSCHWINGER 360
8.2 GASSAEULEN ALS AKUSTISCHE WELLENLEITER 363
AUFGABE 8.7 PFEIFEN ALS AKUSTISCHE WELLENLEITER 364
AUFGABE 8.8 QUERSCHNITTSSPRUNG 367
AUFGABE 8.9 EXPONENTIALTRICHTER 370
AUFGABE 8.10 MRT-KOPFHOERER 373
8.3 BIEGEWELLENLEITER 376
8.3.1 GRUNDBEZIEHUNGEN VON BIEGEWELLEN IN EINEM BALKEN 376
8.3.2 ANWENDUNGSBEISPIELE ZUM BIEGEWELLENLEITER 377
AUFGABE 8.11 SIMULATION VON EIGENSCHWINGUNGEN EINES BALKENS . 377
AUFGABE 8.12 NETZWERKMODELL EINER STIMMGABEL 382
AUFGABE 8.13 DIE
EULER-BERNOULLLSCHE
DGL 385
AUFGABE 8.14 EINSEITIG FREIER BIEGEBALKEN 387
AUFGABE 8.15 BIEGEBALKEN MIT ZUSATZMASSE 394
AUFGABE 8.16 IMPEDANZ EINES BIEGEBALKENS MIT DREHMASSE 396
9 NICHTLINEARE NETZWERKE 399
9.1 AKTIVE NICHTLINEARE ELEMENTE IN SPICE 399
9.2 ANWENDUNGSBEISPIELE MIT NICHTLINEAREN ELEMENTEN 399
AUFGABE 9.1 PRELLFREIER MECHANISCHER ANSCHLAG 399
AUFGABE 9.2 PENDEL 401
AUFGABE 9.3 HYDROGEL-BASIERTES MIKROVENTIL 402
XIV INHALTSVERZEICHNIS
AUFGABE 9.4 CHAOSGENERATOR 407
A GRUNDLAGEN 409
A.L ELEKTRISCHE NETZWERKE 409
A.2 VERHALTENSBESCHREIBUNGEN LINEARER ZEITINVARIANTER SYSTEME 410
A.2.1 PARALLELSCHWINGKREIS IM ZEITBEREICH 410
A.2.1.1 FREIE GEDAEMPFTE SCHWINGUNG 411
A.2.1.2 ERZWUNGENE HARMONISCHE SCHWINGUNG 413
A.2.2 PARALLELSCHWINGKREIS IM FREQUENZBEREICH 415
B MATHEMATISCHE AUSDRUECKE IN SPICE FUER
B
-QUELLEN 417
C LTSPICE-AUFRUF AUS MATLAB 419
LITERATURVERZEICHNIS 421
METHODISCHE SCHRITTE (AUSWAHL) 423 |
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