СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2013

Пьезоэлектрические преобразовате ли и датчики широко применяются в электроакустике, в ультразвуковой, ме дицинской, измерительной технике, в сканирующих зондовых наномикро скопах, пьезодвигателях и в других об ластях науки и техники [1–3]. Особое место пьезоэлектрические преобразо ватели занимают в гидроакустике, яв ляясь по существу ушами и глазами подводных и надводных кораблей. Как известно [4], преобразователь – это устройство, которое преобразует одну физическую величину или энер гию в другую физическую величину или энергию, например, тепловую энергию – в электрическую, силу – в перемещение, давление – в электри ческое напряжение или ток, электри ческое напряжение одного уровня – в электрическое напряжение другого уровня, и т.д. В работе [5] описаны методы синте за (создания, проектирования) пьезо электрических преобразователей. Эти методы позволяют не только расши рять возможности технологии проек тирования, но и создавать преобразо ватели с необходимыми характерис тиками. Среди описанных технологий особый интерес представляет техно логия добавочных элементов, не требу ющих какой либо доработки пьезо элемента и изменяющих характерис тики преобразователя за счёт внешних цепей. ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2013 Поскольку пьезоэлемент представ ляет собой электромеханическую ко лебательную систему, присоединение к нему механических или электричес ких элементов изменяет параметры этой системы [6]. Здесь возможны как минимум два варианта. В первом слу чае к пьезоэлементу механически при соединяют металлическую пластину, второй пьезоэлемент или ультразвуко вой концентратор. Во втором случае к пьезоэлементу электрически присо единяют ёмкость, индуктивность, со противление, ещё один пьезоэлемент или часть пьезоэлемента. Присоединениеметаллическойплас тины к пьезоэлементу превращает мо номорфный пьезоэлемент в биморф ный, при этом появляется новый вид колебаний – изгибные. Эти колебания являются самыми низкочастотными для пьезоэлектрических преобразова телей, при этом чувствительность пре образователя увеличивается на поря док и более; аналогичный результат достигается при соединении двух пье зоэлементов [1, 5]. Присоединение к пьезоэлементу ультразвукового кон центратора снижает рабочую частоту устройства и увеличивает амплитуду смещения. Такие устройства использу ют в ультразвуковой обработке мате риалов [6, 7] и в измерительных уст ройствах [1]. Не меньший интерес представляет добавление к пьезоэлементу элек трических элементов – индуктивнос ти, ёмкости, активного сопротивле ния и цепей, составленных из этих элементов. Упрощённая эквивалент ная электрическая схема пьезоэле мента изображена на рисунке 1а. На этой схеме С эл – ёмкость между элек тродами пьезоэлемента, L д , C д , R – ди намические индуктивность и ёмкость, а также активные потери в пьезоэле менте. Если присоединить к входу пьезоэлемента индуктивность [9] (см. рис. 1б) таким образом, чтобы эта ин дуктивность и ёмкость между элек тродами образовали последователь ный колебательный контур LдобСэл, то резонансную частоту этого конту ра можно определить по известной формуле: . (1) Резонансная частота собственно пье зоэлемента . (2) Кроме того, возникает резонанс на частоте . (3) В зависимости от величин С эл и L доб возможны три случая: f доб = f ПЭ ; f доб > f ПЭ ; f доб < f ПЭ . (4) Экспериментальную проверку вы полним для электроакустического пре образователя ЗП 19. Преобразователь состоит из стальной пластины (марки 40Х) диаметром 32 мм и толщиной 0,15 мм. К пластине приклеен эпоксид ным компаундом пьезоэлемент диа метром 23 мм и толщиной 0,2 мм. По лучившийся биморфный элемент за креплён в корпусе из ударопрочного полистирола. Проверку выполним в пьезотранс форматорном режиме, для чего один из электродов пьезоэлемента разделим на две части – кольцо и диск (см. рис. 2а). Эквивалентная электрическая схе ма такого преобразователя показана на рисунке 2б, где Тр – идеальный трансформатор, С вых – ёмкость между Изменение параметров пьезоэлектрических преобразователей с помощью добавочных элементов Валерий Шарапов, Жанна Сотула, Лариса Куницкая, Александр Ткаченко (г. Черкассы, Украина) В статье описан метод изменения параметров пьезоэлектрических преобразователей с помощью добавочных элементов. В частности, может быть увеличена выходная мощность преобразователя, снижена рабочая частота и расширена полоса частот, а также могут быть получены преобразователи со свойствами дифференцирующих и интегрирующих цепей. Частота, кГц 0,8 1,2 2,5 r 0 , кОм 9,3 5,9 3,9 Звуковое давление, дБ 80 93 97 Основные параметры пьезоэлемента на различных частотах