Фильтр по тематике

Изменение параметров пьезоэлектрических преобразователей с помощью добавочных элементов

В статье описан метод изменения параметров пьезоэлектрических преобразователей с помощью добавочных элементов. В частности, может быть увеличена выходная мощность преобразователя, снижена рабочая частота и расширена полоса частот, а также могут быть получены преобразователи со свойствами дифференцирующих и интегрирующих цепей.
01.03.2013 397 0
Изменение параметров пьезоэлектрических преобразователей с помощью добавочных элементов

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 какой-либо доработки пьезоэлемента 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 электродами образовали последовательный колебательный контур LдобСэл, то резонансную частоту этого контура можно определить по известной формуле:


Резонансная частота собственно пьезоэлемента


Кроме того, возникает резонанс на частоте

 

В зависимости от величин Сэл и Lдоб возможны три случая:


Экспериментальную проверку выполним для электроакустического преобразователя ЗП-19. 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 пьезоэлемента, 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 могут найти применение в измерительном и технологическом оборудовании.

Литература

  1. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова 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-ПРЕСС

Если 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!

01.03.2013 397 0
Комментарии
Рекомендуем
Проверяемое автономное управление: архитектура контроля решений ИИ в киберфизических и распределённых системах Электроника и автоматизация

Проверяемое автономное управление: архитектура контроля решений ИИ в киберфизических и распределённых системах

В статье рассматривается архитектура SEACS (Self-Evolving Autonomous Control System), предназначенная для построения проверяемого контура автономного управления в распределённых и киберфизических системах. В отличие от подходов, где успешный вызов модели или выполнение команды трактуется как завершение задачи, SEACS разделяет наблюдение, оценку состояния, выбор решения, исполнение и последующую проверку фактического результата. Рассматриваются механизмы управления риском и доверием, гистерезиса, задержки повторных воздействий, резервных сценариев и передачи решения человеку. Отдельное внимание уделено воспроизводимым испытаниям, требованиям к данным и метрикам, а также ограничениям исследовательского прототипа.
30.10.2026 СЭ №8/2026 214 0
К 130-летию со дня рождения великого советского физика Игоря Евгеньевича Тамма. Часть 7. Оптические уровни  и плазмон-поляритоны Тамма Электроника и автоматизация

К 130-летию со дня рождения великого советского физика Игоря Евгеньевича Тамма. Часть 7. Оптические уровни и плазмон-поляритоны Тамма

Эта статья завершает серию публикаций о научном наследии Игоря Тамма, в которой была проанализирована эволюция идей Тамма и его учеников от 1930-х годов до наших дней. Среди различных направлений, которыми в различные периоды своей жизни занимался Игорь Тамм, мы остановились на тематике, связанной с взаимодействием света с электронами на границе металла и диэлектрика. Данное направление, начавшееся с разработки теории «таммовских поверхностных состояний», логически продолжилось открытием оптических состояний Тамма (Optical Tamm States – OTS), а затем плазмон-поляритонов Тамма (Tamm Plasmon-Polaritons – TPP). Именно этим двум явлениям посвящена настоящая статья.
28.10.2026 СЭ №8/2026 229 0

Реклама
Реклама.  ООО «Остек-СМТ»  ИНН 7731481045  erid = 2SDnjchs19E
Реклама
Реклама.  ООО «Остек-СМТ»  ИНН 7731481045  erid = 2SDnjdHxidA
  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться