ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Другие типы пьезоэлектрических элементов электроакустических аппаратов из "Электроакустика " В современных электронных устройствах при работе с сигналами высокой частоты в ряде случаев используются устройства, создающие запаздывание сигнала на определенный интервал времени. Длинная электрическая линия или волновод для этой цели мало пригодны, так как из-за большой скорости распространения электромагнитных волн потребовались бы очень громоздкие конструкции даже для относительно малых времен задержки. Скорость распространения акустических волн в твердых телах составляет всего несколько тысяч метров в секунду и это позволяет использовать в электронных схемах акустические линии задержки в соединении с электроакустическими преобразователями. [c.184] В качестве примера приведем пьезоэлектрическую линию задержки из стержня плавленного кварца, а концах которого установлены преобразователи из пьезокварцевого кристалла. Пьезокварцевый преобразователь-излучатель — на одном торце стержня и такой же преобразователь-приемник — на другом. Излучатель, возбуждаемый электрическим сигналом, создает продольные механические волны в стержне, которые распространяются к приемнику, вызывая в нем электрический сигнал, подобный электрическому сигналу на входе излучателя, но запаздывающий на время пробега волн по стержню. Для возможно большей эффективности этого преобразования желательно сделать механические волновые сопротивления материала преобразователя и стержня — линии задержки близкими или одинаковыми. С этой целью стержень-линия задержки часто выполняется из того же кварца. [c.184] Модуль ехр — к О) может быть существенно меньше единицы, если на длине линии укладывается -много волн, так как механические волны в линии затухают (к — комплексная величина). [c.186] Вводя путем диффузии в кристалл на некоторую глубину медь, методом испарения ее под вакуумом, можно создать тонкий слой у поверхности кристалла, лишенный проводимости, но сохраняющий пьезосвойства. Таким образом, получается кристалл с монолитно связанной с ним тонкой пьезопластинкой на одной из его граней. Такие пьезоэлектрические концы можно придать противоположным граням длинного кристалла. Используя один из них как пьезоизлучатель высокого ультразвука в кристалл, а второй— как приемник, осуществляют линию задержки ультразвукового сигнала. [c.186] Одним из основных достоинств таких устройств является то, что активный пьезоэлектрический слой можно сделать чрезвычайно тонким и полуволновой резонанс, при котором эффективно работают пьезопреобразователи, можно получить на очень высоких (гиперзвуковых) частотах. Для примера упомянем, что для колебаний радиоволн метрового диапазона, т. е. частот порядка 10 Гц, полуволновые кристаллические пластинки должны иметь толщины порядка 2—3 десятков микрон и изготовление их в виде отдельных от самой линии элементов черезвычайно затруднительно. [c.186] Пьезоэлемент в виде круглой пластинки квар-ц а Х-с р ез а. Такая пластинка изображена на рис. 4.52а. Она обладает продольным пьезоэффектом. Часто используется как в приемниках, так и в излучателях ультразвука. Иногда применяется с металлическими накладками, толщина которых подбирается так, чтобы вместе с пьезоэлементом составилась резонансная система для продольных колебаний в направлении оси симметрии, наст роенная на нужную частоту. [c.187] Пьезокварцевая мозаика (рис. 4.526). Такой пьезоэлемент приходится составлять из отдельных кусков (пластинок) А -среза кварца, когда требуется получить пучок плоских волн Так как в природе однородный кварцевый кристалл большого размера встречается редко, то приходится пьезоэлемент собирать как мозаику из кусков, не имеющих дефектов кристаллического строения. [c.187] Пьезоэлемент из турмалина. Обычно это небольшого размера цилиндрик, в котором используется пьезоэффект, возникающий при всестороннем сжатии. Такой пьезоэлемент удобен для осуществления приемников звука, не обладающих направленностью (рис. 4.52в). [c.187] Кольцевой пьезоэлемент из пластин сегнетовой соли (рис. 4.52г). Пластины сегнетовой соли собирают в кольцо заданного диаметра. Сборка производится с помощью склейки и заливки пластин в полимеризующуюся водостойкую пластмассу. Собственная частота определяется величиной диаметра кольца и скоростью распространения звука в таком сборном кольце так же, как в магнитострикционном кольцевом излучателе (см. параграф 4.13). Сегнетовый кольцевой пьезоэлемент может быть армирован наружным металлическим кольцом или двумя кольцами — наружным и внутренним. Это увеличивает механическую прочность конструкции и позволяет управлять частотной характеристикой кольцевого пьезоэлемента. [c.187] Биморфный пьезоэлемент из сегнетовой соли Две пластинки из сегнетовой соли среза 45° склеиваются так, что их электрические оси направлены в противоположные стороны, как показано на рис. 4.525. Если на электроды, приклеенные к наружным поверхностям этой двойной пластинки, подать напряжение, то одна пластинка будет стремиться растянуться, а другая сжаться. [c.187] Так как пластины склеены и не могут сдвигаться относительно друг друга, то произойдет изгиб такого пьезоэлемента. Под действием изгибающей нагрузки пьезоэлемент будет поляризоваться. [c.187] Биморфные пьезоэлементы используются во многих устройств вах пьезомикрофонах, адаптерах граммофонных проигрывателей, приемниках вибраций. [c.187] Ячейка из двух биморфных элементов применяется в пьезо микрофонах (рис. 4.52 ). Размеры ячейки невелики (площадь обкладок 1,5 см ), благодаря чему такая ячейка действует как приемник акустического давления ненаправленного типа до частот порядка 7000—8000 Гц. Чувствительность такой ячейки состав ляет 5,0 мВ/Н/м2 при емкости ячейки 500 пФ. Микрофон обычно состоит из нескольких ячеек и имеет общую емкость 1500 пФ. [c.188] На основе биморфного пьезоэлемента можно построить также микрофон с мембраной. Один из таких микрофонов изображен схематически на рис. 4.52дас. Его чувствительность — 25 мВ/Н/м при емкости 6000 пФ. Большая емкость такого микрофона по сравнению с емкостью конденсаторного микрофона позволяет отнести от него входной каскад усиления на значительное расстояние и соединить с усилителем кабелем без большой потери чувствительности. [c.189] Из пьезокерамичеоких пластин могут быть набраны как пакетные, так и (биморфные пьезоэлементы. Большим достоинством пьезокерамических элементов является их большая емкость даже при небольших размерах. Диэлектрическая постоянная пьезокерамики очень велика (14-2-10 ), так что пластинка плошадью в 1 см и толщиной 1 мм обладает емкостью от 1500 до 3000 пФ. Это позволяет строить из пьезокерамики электроакустические аппараты весьма малых размеров, не помещая вблизи пьезоэлемента усилителя, и даже при значительной длине кабеля получать достаточную чувствительность аппарата. [c.190] Весьма распространенным видом пьезоэлемента из керамики является полый цилиндр. Электроды наносятся на внутреннюю и наружную боковые поверхности и элемент поляризуется в направлении радиуса. Такой пьезоэлемент может работать при равномерном сжатии в радиальном направлении или при сжатии вдоль образующей. Цилиндрические пьезоэлементы из керамики используются для измерительных гидроакустических и ультразвуковых приемников. Если цилиндр из пьезокерамики таков, что длина его окружности пО и высота Н малы по сравнению с длиной волны звука в керамике и окружающей среде, то под действием звукового давления на боковую поверхность он деформируется квазистатически и механические напряжения в нем не зависят от частоты. [c.190] Рассматривая цилиндрический пьезоэлемент, мы считали, что 1знутри его давления звука нет. Практически это достигается тем, что цилиндр герметизируется жесткими крышками-основаниями. При проверке наличия побочных резонансных частот следует подсчитать первую собственную частоту цилиндра, колеблющегося вдоль образующей. Если масса крышек мала, то вдоль образующей цилиндра укладывается около полуволны сжатия при резонансе. Для того чтобы учесть массу крышек, воспользуемся тем, что эквивалентная масса полуволнового стержня составляет половину его полной массы. Если масса крышек гПк, а эквивалентная масса стержня гпз, то понижение резонансной частоты произойдет в (1+/Пк//Пэ) раз. [c.191] Цилиндрический пьезоэлемент может использоваться и в приемниках, имеющих приемную диафрагму. Конструкция такого приемника, в принципе, такая же, как и приемника с пакетным пьезоэлементом, изображенного на рис. 4.50. Цилиндрические или кольцевые пьезоэлементы используются также для излучения звука аналогично магнитострикционным кольцевым излучателям. [c.191] Вернуться к основной статье