СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2013

В ВЕДЕНИЕ Электроакустические преобразова тели (ЭАП) широко применяются для работы в воздушной среде (системы охраны, измерительная техника), в во де (локаторы, эхолоты, подводная связь), для создания звуковых волн в твёрдых телах (неразрушающий кон троль) и др. [1–8]. Известно, что низкочастотный звук распространяется в воде практически без затуханиянарасстояние донесколь ких тысяч километров благодаря фор мированиювокеане звуковогоканала– акустического волновода рефракцион ного типа. Именно поэтому низкочас тотная акустикаимеет очевидныепреи мущества при решении актуальных за дач, в том числе оборонных [9]. Пьезоэлектрические преобразовате ли (ПП) часто используются в электро акустике [3, 4]. Как правило, возбужде ние ПП производят на резонансной частоте, где индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга, и выходное сопротивление пье зоэлемента (ПЭ) становится в основ ном активным. Максимальный ток че рез ПЭ и максимальная мощность, из лучаемая ПЭ, могут быть достигнуты именно на резонансной частоте. Пьезоэлектрический элемент пред ставляет собой электромеханическую колебательную систему с достаточно ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2013 высокой добротностью. Присоедине ние к такой системе механических или электрических элементов изменяет её параметры [4, 10, 11]. В частности, если к ПЭ присоединить механически и электрически второйПЭ или металли ческую пластину, получается т.н. би морфный элемент [2], резонансная частота которого на порядок ниже ре зонансной частоты мономорфного ПЭ, а чувствительность выше [4, 6]. Резонансную частоту круглого би морфного элемента можно оценить по формуле [6]: (1) где h – толщина ПЭ; r – ради ус ПЭ; Е – модуль Юнга; ρ – плотность материала ПЭ; μ – коэффициент Пуас сона. Как следует изформулы (1), дальней шее уменьшение резонансной частоты биморфного элемента возможно, в ос новном, за счёт уменьшения толщины ПЭ и увеличения его радиуса. Измене ние этихпараметров имеет свои техно логические и габаритные ограничения. Резонансная частота применяемых на практике биморфных элементов обыч но составляет несколько килогерц [1–6]. Присоединение к ПП индуктивности позволяет увеличить чувствительность, а также расширить полосу рабочихчас тот [10]. Ниже приведены результаты экспериментальныхисследованийвли яния объёмных резонаторов на харак теристики ЭАП. Р ЕЗОНАТОР Г ЕЛЬМГОЛЬЦА Акустическиеколебательные системы используютсяввидеполостей, каналови объёмныхрезонаторов, которые (всоче тании)могутобразовыватьсложныеуст ройства, по своему действию аналогич ныерезонанснымконтурам,фильтрами т.д. С их помощью можно выделять или подавлятьопределённые участкизвуко вого диапазона частот [12, 13]. Примеромпростейшейакустической колебательной системы является резо натор Гельмгольца (см. рис. 1). Онпред ставляет собойсосуд сферическойфор мы с открытой горловиной. Воздух в горловине является колеблющейсямас сой, а объём воздуха в сосуде играет роль упругого элемента. Разумеется, та кое разделение справедливо лишь при ближенно, т.к. часть воздуха в полости обладает инерционнымсопротивлени ем. Однакопридостаточнобольшойве личине отношения площади отверстия к площади сечения полости точность такого приближения является удовлет ворительной. Основная часть кинети ческойэнергииколебанийоказывается сосредоточенной в горле резонатора, где колебательная скорость частиц воз духа имеет наибольшую величину [12]. Собственная частота резонатора Гельмгольца равна [12]: , (2) где: f r – частота, Гц; c 0 – скорость звука в воздухе (340 м/с); S – сечение отверс тия, м 2 ; L – длина отверстия, м; V – объ ём резонатора, м 3 . Например, для сосуда объёмом 1 л с горловинойдлиной1смисечением1см 2 частота резонанса составит примерно 170Гц.Следуетотметить,чтодлинаволны для этой частоты составляет около 2 м, что значительно больше размеров резо натора. Следовательно, это не стоячая акустическая волна в самом резонаторе. Действительно, в полости можно возбу дить тольковолны, длина которыхмень ше характерногоразмера резонатора . (3) Для данного примера – это частоты выше 3 кГц. S V L Рис. 1. Резонатор Гельмгольца Применение объёмных резонаторов в пьезоэлектрических электроакустических преобразователях Валерий Шарапов, Анна Салагор, Жанна Сотула, Василий Заика (г. Черкассы, Украина) В статье приведены результаты исследований влияния объёмных резонаторов на характеристики электроакустических преобразователей. В частности, при использовании резонатора Гельмгольца, четвертьволнового и конусообразного резонаторов может быть повышен уровень звукового давления, снижена рабочая частота и расширена полоса частот.