Применение объёмных резонаторов в пьезоэлектрических электроакустических преобразователях

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: f_r – 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

1. Sharapov V. Piezoceramic sensors. Springer Verlag. Heidelberg, Dordrecht, London, New York. 2011.
2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. Техносфера. 2006.
3. Sharapov V., Sotula Zh., Kunitskaya L. Piezoelectric Electroacoustic Transducers. – Springer Verlag. Heidelberg, Dordrecht, London, New York. 2013.
4. Шарапов В.М., Mинаев И.Г., Сотула Ж.В., Куницкая Л.Г. Электроакустические преобразователи. Техносфера. 2013.
5. Шарапов В.М., Минаев И.Г., Сотула Ж.В., Базило К.В., Куницкая Л.Г. Пьезокерамические трансформаторы и датчики. Черкассы: Вертикаль. 2010.
6. Евтютов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. и др. Справочник по гидроакустике. Судостроение. 1988.
7. Домаркас В.И., Кажис Р.-Й.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Лиентис, Вильнюс. 1975.
8. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под редакцией И.Н. Ермолова. Машиностроение. 1986.
9. www.ipfran.ru.
10. 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.
11. Шарапов В.М., Сотула Ж.В. Пьезоэлектрические преобразователи. Новые технологии проектирования. Электроника: НТБ. № 5. 2012. С. 96–102.
12. www.bluesmobil.com.
13. Фурдуев В.В. Электроакустика. ОГИЗ. 1948.