Verfügbarkeit: Aufgaben und Lösungen zur Schaltungsdarstellung und Simulation elektromechanischer Systeme

Aufgaben und Lösungen zur Schaltungsdarstellung und Simulation elektromechanischer Systeme: in Mikrotechnik und Mechatronik

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Beteiligte Personen:	Marschner, Uwe 1966- (VerfasserIn), Werthschützky, Roland (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	Deutsch
Veröffentlicht:	Berlin [u.a.] Springer Vieweg 2015
Schriftenreihe:	Lehrbuch
Schlagwörter:	Schaltungstheorie Mikrosystemtechnik Netzwerktheorie Ersatzschaltbild ASI Elektroakustik Systementwurf Elektromechanik Elektromechanischer Wandler Mehrkörpersystem Mechatronik Aufgabensammlung
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adam_text	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 HTTP://D-NB.INFO/1055839429 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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