Файл: Римский-Корсаков А.В. Электро-акустика.pdf

некоторых возможностей, предоставляемых

пьезоэлементами

д л я

создания электроакустических

аппаратов

различного

назначения .

П ь е з о э л е м е н т в в и д е к р у г л о й п л а с т и н к и

. к в а р ­

ц а Х - с р е з а . Т а к а я

пластинка

и з о б р а ж е н а

на рис. 4.52а. Она об­

л а д а е т продольным

пьезоэффектом . Часто используется

как в

при­

емниках, так и в излучателях

у л ь т р а з в у к а . Иногда

применяется с

металлическими

н а к л а д к а м и ,

толщина которых

подбирается

так,

чтобы вместе с

пьезоэлементом

составилась резонансная

система

д л я

продольных

колебаний в

направлении

оси

симметрии,

наст­

роенная на нужную частоту.

П ь е з о к в а р ц е в а я м о з а и к а (рис. 4.526). Такой

пьезоэле­

мент

приходится

составлять

из

отдельных

кусков

(пластинок)

Х-среза кварца, когда требуется получить

пучок

плооких

волн .

Так

как в природе однородный кварцевый кристалл

большого

раз ­

мозаику

из кусков, не имеющих

дефектов

кристаллического

строе­

ния.

П ь е з о э л е м е н т

и з т у р м а л и н а .

Обычно это

небольшого

размера

цилиндрик, в котором используется пьезоэффект,

возни­

кающий

при

всестороннем

сжатии .

Такой

пьезоэлемент

удобен

д л я

осуществления

приемников

звука,

не

о б л а д а ю щ и х

направлен ­

ностью

(рис.

4.52в).

К о л ь ц е в о й

п ь е з о э л е м е н т и з п л а с т и н

с е г к е т о ­

в о й

с о л и

(рис. 4.52г). П л а с т и н ы

сегнетовой

соли собирают в

кольцо

заданного

д и а м е т р а .

Сборка

производится

с

помощью

оклейки

и заливки

пластин в

полимеризующуюся

водостойкую

пластмассу . Собственная частота определяется величиной

диамет ­

ра кольца и скоростью распространения звука

в таком

сборном

кольце

так же , как в магнитострнкционном кольцевом

излучателе

(см. п а р а г р а ф 4.13).

Сегиетовый

кольцевой

пьезоэлемент

м о ж е т

быть

армирован

н а р у ж н ы м

металлическим

кольцом

или

д в у м я

кольцами — н а р у ж н ы м и внутренним. Это увеличивает

механи­

ческую

прочность

конструкции

и позволяет

у п р а в л я т ь

частотной

характеристикой

кольцевого

пьезоэлемента .

Б и м о р ф н ы й п ь е з о э л е м е н т и з с е г н е т о в о й

с о л и

Д в е

пластинки из

сегнетовой соли среза 45° склеиваются

так, что

чх электрические

оси

направлены

в

противоположные

стороны,

Так как

п л а с т и н ы склеены

и не

могут сдвигаться

относитель­

но друг друга, то произойдет

изгиб

такого пьезоэлемента . П о д

действием

изгибающей

нагрузки

пьезоэлемент

будет

поляризо­

ваться.

Б и м о р ф н ы е пьезоэлементы

используются во многих устройст­

вах: пьезомикрофонах,

а д а п т е р а х

г р а м м о ф о н н ы х

проигрывателей,

приемниках

вибраций .

Ячейка из двух

биморфных

элементов применяется

в пьезо-

микрофонах

(рис. 4.52е). Р а з м е р ы ячейки

невелики (площадь

об­

к л а д о к

1,5 с м 2 ) , б л а г о д а р я чему

т а к а я ячейка действует

ка к

при­

емник

акустического

д а в л е н и я ненаправленного

типа

до частот

порядка 7000—8000

Гц.

Чувствительность

такой

ячейки

состав­

ляет ~ 5 , 0

м В / Н / м 2

при

емкости ячейки

—500

пФ.

Микрофон

обычно

состоит из нескольких

ячеек и имеет

общую

емкость

Н а

основе биморфного пьезоэлемента

м о ж н о построить

т а к ж е

микрофон с мембраной . Один из

таких

микрофонов

и з о б р а ж е н

схематически на рис. 4.52э/с. Его чувствительность — 25

м В / Н / м 2

при емкости 6000 пФ . Б о л ь ш а я емкость

такого

микрофона

по

с р а в ­

нению

с емкостью конденсаторного

микрофона

позволяет

отнести

от него

входной к а с к а д усиления

на

значительное

расстояние и

П ь е з о э л е м е н т ы

и з к е р а

м и к и .

Пьезоэлементы

из кера­

мических м а т е р и а л о в

могут

быть

самой

различной конфигурации .

П ь е з о э ф ф е к т в таком

элементе определяется тем, в каком

направ ­

лении элемент поляризован .

Н а п р а в л е н и е поляризации

устанав -

ливается конструктором электроакустического

а п п а р а т а

по

выбо­

ру. Простейшим пьезокерамическим элементом является

пластин ­

ка, п о л я р и з о в а н н а я

в н а п р а в л е н и и

ее толщины

и р а б о т а ю щ а я

на

сжатие . При п р и л о ж е н и и усилий к

узким

т о р ц а м такой

пластинки

в ней

возникает поперечный пьезоэффект,

вдвое

меньший

продоль ­

ного. Поперечный

пьезоэффект с

успехом

может

применяться

в

аппаратах,

в которых

пьезоэлемент находится

п о д

большим

по ­

стоянным

с ж и м а ю щ и м

усилием. С ж а т и е

пьезоэлемента

в направ ­

лении

начальной п о л я р и з а ц и и в ы з ы в а е т

поляризацию

обратного

знака,

и при большом

значении с ж и м а ю щ и х

н а п р я ж е н и й эта

об­

ратная п о л я р и з а ц и я

может в ы з в а т ь

д е п о л я р и з а ц и ю

и потерю

чув­

ствительности пьезоэлемента . При поперечном сжатии

пластинки

происходит увеличение ее толщины и пьезоэффект имеет

направ ­

ление

то ж е , что и н а ч а л ь н а я поляризация .

И з

пьезокерамичеоких пластин могут

быть н а б р а н ы как

пакет­

ные, так и б и м о р ф н ы е

ньезоэлементы . Б о л ь ш и м

достоинством

пье-

зокерамических элементов является

их б о л ь ш а я

емкость

д а ж е

при

очень велика

(І-т-2-ІО3 ), так что

пластинка п л о ш а д ь ю

в

1 с м 2

и

толщиной

1 мм о б л а д а е т емкостью от

1500 до 3000 пФ.

Это

позво ­

ляет строить

из пьезокерамики

электроакустические

аппараты

весьма

малых

размеров, не п о м е щ а я

вблизи пьезоэлемента

усили­

теля, и

д а ж е

при значительной

длине к а б е л я получать

достаточ­

ную чувствительность а п п а р а т а .

Весьма

распространенным видом

пьезоэлемента

из

керамики

является

полый цилиндр . Электроды

наносятся на

внутреннюю

и

н а р у ж н у ю боковые поверхности

и элемент поляризуется

в

направ ­

зуются д л я

измерительных гидроакустических и

ультразвуковых

приемников.

Если цилиндр

из пьезокерамики таков, что длина его

о к р у ж н о с т и

KD И высота

Н м а л ы по сравнению

с длиной волны

звука в к е р а м и к е и о к р у ж а ю щ е й среде, то под действием

звукового

д а в л е н и я

на

боковую

поверхность

он

деформируется квазистати-

чески и механические

н а п р я ж е н и я

в нем не зависят от частоты.

Такой

пьезоэлемент является

приемником

д а в л е н и я

с частот-

нонезависимой

характеристикой холостого хода:

Я п

-

«

П

(4.123)

h — толщина стенки цилиндра .

Используя

тонкий

полый цилиндр

(Dlh~^>А),

м о ж н о

получить

ным

пакетным пьезоэлементом . Д е л о в

том, что

в пакетном

пьезо-

элементе на

торец

пластины действует

сила

Fi = Hhp,

а в

такой

ж е пластине,

свернутой

в цилиндр,

— F = 0 , 5 DHp.

Т а к и м образом,

цилиндр действует

как

механический т р а н с ф о р м а т о р ,

увеличиваю ­

щий

механические

н а п р я ж е н и я в

пластине

в

отношении

F/F,—

пластинки таких ж е

р а з м е р о в ,

ка к

и

развертка цилиндра . Н а ос­

новании ф-лы (3.130)

п а р а г р а ф а

3.11 м о ж н о определить

ход частот­

ной

характеристики

чувствительности

цилиндрического

преобразо ­

в а т е л я , .полагая, что

размер h в ф-ле

(3.130)

соответствует поло­

вине длины развертки цилиндра, a

k = h.

Р е з о н а н с цилиндричес­

кого элемента

наступает при ££> = 2я .

Ріассміатривая цилиндрический

пьезоэлемент, мы считали, что

изнутри его д а в л е н и я звука нет. Практически

это достигается тем,

что

цилиндр

герметизируется

жесткими

крышками - оонованиями .

считать первую

собственную

частоту цилиндра,

колеблющегося

вдоль образующей . Если масса к р ы ш е к мала,

то

вдоль

образую ­

щей цилиндра

у к л а д ы в а е т с я

около

полуволны

с ж а т и я

при

резо­

нансе. Д л я того чтобы учесть

массу

крышек,

воспользуемся

тем,

вину его полной массы. Если масса к р ы ш е к

Шк, а э к в и в а л е н т н а я

масса стержня

т э ,

то понижение резонансной

частоты произойдет

в (1 +тк/та)112

раз .

Цилиндрический пьезоэлемент может использоваться и в при­

емниках, имеющих

приемную д и а ф р а г м у .

Конструкция такого

кольцевые

пьезоэлементы используются

т а к ж е д л я излучения

зву­

ка

аналогично магнитострикционным кольцевым излучателям .

Упомянем еще, что кольцевые

(или цилиндрические)

пьезоэле­

менты могут использоваться .и при более сложных ф о р м а х

коле­

баний.

Р а з д е л и в

электроды

на

боковых поверхностях

цилиндра

на

четыре

части,

как п о к а з а н о на

рис. 4.52з,

м о ж н о переключить

их

после

п о л я р и з а ц и и

так,

чтобы

соседние

к в а д р а н т ы

получали

от

в о з б у ж д а ю щ е г о генератора

н а п р я ж е н и я ,

о б р а т н ы е

по

фазе .

В

этом

случае кольцо

будет

к о л е б а т ь с я

с ч е т ы р ь м я узловыми ли­

ниями

вдоль о б р а з у ю щ и х . П р и с о е д и н я я

к т а к о м у кольцу

д и а ф р а г ­

му

(рис. 4.52и) и

опирая его д и а м е т р а л ь н о противоположной

точ­

собственной

частотой и большой чувствительностью.

С ф е р и ч е с к и й

п ь е з о к е р а м и ч е с к и й

э л е м е н т .

Стремление

получить

ненаправленный

акустический

приемник

д а в л е н и я д л я широкого

д и а п а з о н а частот

привело конструкторов

номерно п о л я р и з о в а н н а я по радиусу однородная т о н к а я

сфериче­

с к а я оболочка будет

принимать д а в л е н и е

акустических

волн

оди­

наково, независимо

от н а п р а в л е н и я их падения . Т а к ка к

все

ж е

необходимо вывести провод от

внутреннего электрода и укрепить

сферу на каком-то д е р ж а т е л е ,

то полной

симметрии

достигнуть