Пьезоэлектрические преобразователи и датчики широко применяются в электроакустике, в ультразвуковой, медицинской, измерительной технике, в сканирующих зондовых наномикроскопах, пьезодвигателях и в других областях науки и техники [1–3]. Особое место пьезоэлектрические преобразователи занимают в гидроакустике, являясь по существу ушами и глазами подводных и надводных кораблей.
Как известно [4], преобразователь – это устройство, которое преобразует одну физическую величину или энергию в другую физическую величину или энергию, например, тепловую энергию – в электрическую, силу – в перемещение, давление – в электрическое напряжение или ток, электрическое напряжение одного уровня – в электрическое напряжение другого уровня, и т.д.
В работе [5] описаны методы синтеза (создания, проектирования) пьезоэлектрических преобразователей. Эти методы позволяют не только расширять возможности технологии проектирования, но и создавать преобразователи с необходимыми характеристиками. Среди описанных технологий особый интерес представляет технология добавочных элементов, не требующих какойлибо доработки пьезо
элемента и изменяющих характеристики преобразователя за счёт внешних цепей.
Поскольку пьезоэлемент представляет собой электромеханическую колебательную систему, присоединение к нему механических или электрических элементов изменяет параметры этой системы [6]. Здесь возможны как минимум два варианта. В первом случае к пьезоэлементу механически присоединяют металлическую пластину, второй пьезоэлемент или ультразвуковой концентратор. Во втором случае к пьезоэлементу электрически присоединяют ёмкость, индуктивность, сопротивление, ещё один пьезоэлемент или часть пьезоэлемента.
Присоединение металлической пластины к пьезоэлементу превращает мономорфный пьезоэлемент в биморфный, при этом появляется новый вид колебаний – изгибные. Эти колебания являются самыми низкочастотными для пьезоэлектрических преобразователей, при этом чувствительность преобразователя увеличивается на порядок и более; аналогичный результат достигается при соединении двух пьезоэлементов [1, 5]. Присоединение к пьезоэлементу ультразвукового концентратора снижает рабочую частоту устройства и увеличивает амплитуду смещения. Такие устройства используют в ультразвуковой обработке материалов [6, 7] и в измерительных устройствах [1].
Не меньший интерес представляет добавление к пьезоэлементу электрических элементов – индуктивности, ёмкости, активного сопротивления и цепей, составленных из этих элементов. Упрощённая эквивалентная электрическая схема пьезоэлемента изображена на рисунке 1а. На этой схеме Сэл – ёмкость между электродами пьезоэлемента, Lд, Cд, R – динамические индуктивность и ёмкость, а также активные потери в пьезоэлементе. Если присоединить к входу пьезоэлемента индуктивность [9] (см. рис. 1б) таким образом, чтобы эта индуктивность и ёмкость между элек
тродами образовали последовательный колебательный контур LдобСэл, то резонансную частоту этого контура можно определить по известной формуле:
. (1)
Резонансная частота собственно пьезоэлемента
. (2)
Кроме того, возникает резонанс на частоте
. (3)
В зависимости от величин Сэл и Lдоб возможны три случая:
fдоб = fПЭ;
fдоб > fПЭ;
fдоб < fПЭ. (4)
Экспериментальную проверку выполним для электроакустического преобразователя ЗП19. Преобразователь состоит из стальной пластины (марки 40Х) диаметром 32 мм и толщиной 0,15 мм. К пластине приклеен эпоксидным компаундом пьезоэлемент диаметром 23 мм и толщиной 0,2 мм. Получившийся биморфный элемент закреплён в корпусе из ударопрочного полистирола.
Проверку выполним в пьезотрансформаторном режиме, для чего один из электродов пьезоэлемента разделим на две части – кольцо и диск (см. рис. 2а). Эквивалентная электрическая схема такого преобразователя показана на рисунке 2б, где Тр – идеальный трансформатор, Свых – ёмкость между выходными электродами пьезотрансформатора.
Для проведения экспериментов были изготовлены катушки индуктивности (Lдоб) 0,24, 1,0 и 2,4 Гн. Эти индуктивности с ёмкостью Сэл (17 нФ) образуют резонансные частоты 2,5, 1,22 и 0,8 кГц соответственно На рисунке 3 показаны АЧХ этого преобразователя, где основная резонансная частота изгибных колебаний равна примерно 2,5 кГц. Измерения проводились в пьезотрансформаторном режиме. На резонансной частоте также измерялось звуковое давление с помощью шумомера фирмы RFT.
Характеристики преобразователя были измерены при подключении каждой из индуктивностей (см. рис. 3б – 3г). Одновременно на указанных частотах измерялось собственное (активное) сопротивление потерь r0 (см. таблицу). Видно, что с понижением частоты потери в пьезоэлементе увеличиваются. Рисунок 3 подтверждает, что, используя дополнительные колебательные контуры, создаваемые с помощью дополнительной индуктивности и межэлектродной ёмкости пьезоэлемен
та, можно создавать низкочастотные акустические колебания с помощью преобразователя сравнительно высокой частоты.
На рисунке 4 показаны варианты схем преобразователей с добавочными колебательными контурами, которые позволяют увеличить выходную мощность (звуковое давление). Если выбрать величину fдоб близкой к fр, можно не только повысить уровень звукового давления, но и расширить полосу пропускания преобразователя, что актуально для преобразователей, используемых для подводной связи. Разумеется, приведённые схемы не исчерпывают все возможности таких преобразователей.
Следует также отметить, что при подключении к пьезоэлементу активных сопротивлений могут быть получены преобразователи со свойствами дифференцирующих и интегрирующих цепей, которые мо
гут найти применение в измерительном и технологическом оборудовании.
Литература
1. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапо
3ва Е.В. Пьезоэлектрические датчики. Техносфера, 2006.
2. Sharapov V. Piezoceramic sensors. Springer, 2011.
3. Шарапов В.М., Минаев И.Г., Сотула Ж.В., Базило К.В., Куницкая Л.Г. Пьезокерамические трансформаторы и датчики. Черкассы: Вертикаль, 2010.
4. Шарапов В.М. и др. Датчики. Техносфера, 2012.
5. Шарапов В.М., Сотула Ж.В., Куницкая Л.Г. Пьезоэлектрические электроакустические преобразователи. Черкассы: Вертикаль, 2012.
6. Шарапов В.М., Сотула Ж.В. Пьезокерамические преобразователи. Новые технологии проектирования. Электроника НТБ. 2012. № 5. С. 96–102.
7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П. Голяминой. Советская энциклопедия, 1979.
8. Физика и техника мощного ультразвука: Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга. Наука, 1970.
9. Шарапов В.М. Спосіб створення акустичних коливань за допомогою п'єзоелемента. Патент України № 56930. Н04R 17/00. 2011. Бюл. № 2.
© СТА-ПРЕССЕсли вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
