Введение
Электроакустические преобразователи (ЭАП) широко применяются для работы в воздушной среде (системы охраны, измерительная техника), в воде (локаторы, эхолоты, подводная связь), для создания звуковых волн в твёрдых телах (неразрушающий контроль) и др. [1–8].
Известно, что низкочастотный звук распространяется в воде практически без затухания на расстояние до нескольких тысяч километров благодаря формированию в океане звукового канала – акустического волновода рефракционного типа. Именно поэтому низкочастотная акустика имеет очевидные преимущества при решении актуальных задач, в том числе оборонных [9].
Пьезоэлектрические преобразователи (ПП) часто используются в электроакустике [3, 4]. Как правило, возбуждение ПП производят на резонансной частоте, где индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга, и выходное сопротивление пьезоэлемента (ПЭ) становится в основном активным. Максимальный ток через ПЭ и максимальная мощность, излучаемая ПЭ, могут быть достигнуты именно на резонансной частоте.
Пьезоэлектрический элемент представляет собой электромеханическую колебательную систему с достаточно высокой добротностью. Присоединение к такой системе механических или электрических элементов изменяет её параметры [4, 10, 11]. В частности, если к ПЭ присоединить механически и электрически второй ПЭ или металлическую пластину, получается т.н. биморфный элемент [2], резонансная частота которого на порядок ниже резонансной частоты мономорфного ПЭ, а чувствительность выше [4, 6].
Резонансную частоту круглого биморфного элемента можно оценить по формуле [6]:
где c=√Eρ; h – толщина ПЭ; r – радиус ПЭ; Е – модуль Юнга; ρ – плотность материала ПЭ; µ – коэффициент Пуассона.
Как следует из формулы (1), дальнейшее уменьшение резонансной частоты биморфного элемента возможно, в основном, за счёт уменьшения толщины ПЭ и увеличения его радиуса. Изменение этих параметров имеет свои технологические и габаритные ограничения. Резонансная частота применяемых на практике биморфных элементов обычно составляет несколько килогерц [1–6]. Присоединение к ПП индуктивности позволяет увеличить чувствительность, а также расширить полосу рабочих частот [10]. Ниже приведены результаты экспериментальных исследований влияния объёмных резонаторов на характеристики ЭАП.
Резонатор Гельмгольца
Акустические колебательные системы используются в виде полостей, каналов и объёмных резонаторов, которые (в сочетании) могут образовывать сложные устройства, по своему действию аналогичные резонансным контурам, фильтрам и т.д. С их помощью можно выделять или подавлять определённые участки звукового диапазона частот [12, 13].
Примером простейшей акустической колебательной системы является резонатор Гельмгольца (см. рис. 1).
Он представляет собой сосуд сферической формы с открытой горловиной. Воздух в горловине является колеблющейся массой, а объём воздуха в сосуде играет роль упругого элемента. Разумеется, такое разделение справедливо лишь приближенно, т.к. часть воздуха в полости обладает инерционным сопротивлением. Однако при достаточно большой величине отношения площади отверстия к площади сечения полости точность такого приближения является удовлетворительной. Основная часть кинетической энергии колебаний оказывается сосредоточенной в горле резонатора, где колебательная скорость частиц воздуха имеет наибольшую величину [12].
Собственная частота резонатора Гельмгольца равна [12]:
где: fr – частота, Гц; c0 – скорость звука в воздухе (340 м/с); S – сечение отверстия, м2; L – длина отверстия, м; V – объём резонатора, м3.
Например, для сосуда объёмом 1 л с горловиной длиной 1 см и сечением 1 см2 частота резонанса составит примерно 170 Гц. Следует отметить, что длина волны для этой частоты составляет около 2 м, что значительно больше размеров резонатора. Следовательно, это не стоячая акустическая волна в самом резонаторе. Действительно, в полости можно возбудить только волны, длина которых меньше характерного размера резонатора
Для данного примера – это частоты выше 3 кГц.
Для экспериментов с резонаторами использовался биморфный элемент пьезокерамического ЭАП типа ЗП-19, изготовленный АО «Аврора» (Волгоград). Биморфный элемент этого преобразователя состоит из стальной (марки 40Х) пластины диаметром 32 мм и толщиной 0,15 мм и ПЭ из керамики ЦТС-19 диаметром 23 мм и толщиной 0,2 мм. Преобразователь подключался к генерато-
ру электрических колебаний Г3-106. С помощью шумомера фирмы RFT измерялась его АЧХ по звуковому давлению.
ЭАП с резонатором Гельмгольца цилиндрической формы
На корпусе ЗП-19 закреплялся полый цилиндр длиной 30 мм, изготовленный из бронзы толщиной 0,2 мм. Внутри цилиндра устанавливалась перегородка с отверстием диаметром 4 мм, положение которой внутри цилиндра изменялось, варьируя объём резонатора. Конструкция преобразователя и его АЧХ показаны на рисунке 2.
На рисунке 2б видно, что применение резонатора Гельмгольца повысило уровень звукового давления на 15–40 дБ и расширило полосу рабочих частот.
ЭАП с четвертьволновым резонатором
В этом случае на корпусе ЗП-19 был закреплён полый цилиндр длиной 37 мм, изготовленный из бронзы толщиной 0,2 мм. Конструкция преобразователя с четвертьволновым резонатором и его АЧХ показаны на рисунке 3.
Как видно из рисунка 3б, применение четвертьволнового резонатора повысило уровень звукового давления на 15–50 дБ и расширило полосу рабочих частот.
ЭАП с конусообразным резонатором
На корпусе ЗП-19 был закреплён полый усечённый конус длиной 37 мм, изготовленный из бронзы толщиной 0,2 мм. Конструкция преобразователя с конусообразным резонатором и его АЧХ показаны на рисунке 4.
Видно, что применение конусообразного резонатора привело к росту уровня звукового давления на 15–40 дБ и расширило полосу рабочих частот (см. рис. 4б).
ЭАП с резонатором Гельмгольца и с четвертьволновым резонатором
Одна из возможных конструкций ЭАП с четвертьволновым резонатором и резонатором Гельмгольца и его АЧХ показаны на рисунке 5.
В этом случае применение объёмных резонаторов позволило увеличить уровень звукового давления на 35–50 дБ и расширить полосу рабочих частот (см. рис. 5б).
Приведённые в статье результаты могут быть использованы при конструировании пьезоэлектрических электроакустических преобразователей различного назначения.
Литература
- Sharapov V. Piezoceramic sensors. Springer Verlag. Heidelberg, Dordrecht, London, New York. 2011.
- Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. Техносфера. 2006.
- Sharapov V., Sotula Zh., Kunitskaya L. Piezoelectric Electroacoustic Transducers. – Springer Verlag. Heidelberg, Dordrecht, London, New York. 2013.
- Шарапов В.М., Mинаев И.Г., Сотула Ж.В., Куницкая Л.Г. Электроакустические преобразователи. Техносфера. 2013.
- Шарапов В.М., Минаев И.Г., Сотула Ж.В., Базило К.В., Куницкая Л.Г. Пьезокерамические трансформаторы и датчики. Черкассы: Вертикаль. 2010.
- Евтютов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. и др. Справочник по гидроакустике. Судостроение. 1988.
- Домаркас В.И., Кажис Р.-Й.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Лиентис, Вильнюс. 1975.
- Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под редакцией И.Н. Ермолова. Машиностроение. 1986.
- www.ipfran.ru.
- Шарапов В.М., Сотула Ж.В., Куницкая Л.Г., Ткаченко А.С. Изменение параметров пьезокерамических преобразователей с помощью добавочных элементов. Современная электроника. № 3. 2013. С. 56–57.
- Шарапов В.М., Сотула Ж.В. Пьезоэлектрические преобразователи. Новые технологии проектирования. Электроника: НТБ. № 5. 2012. С. 96–102.
- www.bluesmobil.com.
- Фурдуев В.В. Электроакустика. ОГИЗ. 1948.
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!
