удк 681.586
, ,
создание низкочастотных акустическиХ колебаний с помощью мономорфных пьезоэлементов
Обнаружено возникновение низкочастотных колебаний в мономорфных пьезоэлементах. Для повышения уровня звукового давления, создаваемого в этом случае, предложено разделение электродов пьезоэлемента и использование для подключения тех из них, при которых вектор электрического поля возбуждающего напряжения и вектор поляризации располагаются под углом, а также предложено использование дополнительного колебательного контура на входе пьезоэлемента.
Ключевые слова: мономорфный пьезоэлемент, низкочастотные колебания, звуковое давление, амплитудно-частотная характеристика.
Введение. Пьезоэлектрические преобразователи широко применяются в электроакустике, гидроакустике, измерительной технике, неразрушающем контроле, в пьезодвигателях, в сканерах наномикроскопов и других областях науки и техники [1-6].
Особое место пьезоэлектические преобразователи занимают в электро - и гидроакустике, где они предназначены для излучения и приема акустических колебаний в воздушной или водной среде [3, 4].
Для изготовления этих преобразователей используются мономорфные пьезоэлементы, т. е., состоящие из одного пьезоэлемента, а также биморфные элементы, состоящие из двух пьезоэлементов или пьезоэлемента и металлической пластины, соединенных при помощи клея или припоя [2, 4].
Традиционно считается, что в свободно расположенных мономорфных пьезоэлементах в виде пластин, брусков, дисков изгибные (низкочастотные) колебания не возникают [3, 4]. Между тем, авторами обнаружено возникновение таких колебаний в мономорфных пьезоэлементах, однако уровень звукового давления, создаваемый этими пьезоэлементами, относительно невелик [7].
Постановка задачи. Известно, что низкочастотный звук распространяется в воде практически без затухания на расстояния до нескольких тысяч километров благодаря формированию в верхнем слое океана подводного звукового канала – акустического волновода рефракционного типа. Именно благодаря этому низкочастотная акустика имеет очевидные преимущества в решении широкого круга задач [8, 9]. Между тем, мономорфные пьезоэлементы имеют рабочие частоты в зависимости от размера от единиц до десятков кГц. Например, для пьезоэлемента Ш66х3 мм из пьезокерамики ЦТС-19 основная резонансная частота радиальных колебаний составляет ~34 кГц.
В данной работе описаны методы повышения уровня звукового давления, создаваемого мономорфными пьезоэлементами на низких частотах.
Основные положения. На рис. 1 показаны схема подключения (рис. 1, а) и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) по звуковому давлению мономорфного пьезоэлемента Ш66х3 мм, изготовленного из пьезокерамики ЦТС-19, в низкочастотной (рис. 1, б) и высокочастотной области (рис. 1, в).
а) б) в)
Рис. 1.
Пьезоэлемент возбуждался от генератора электрических колебаний типа Г3-109 напряжением 1 В, которое подводилось к электродам 1–1'. Звуковое давление измерялось шумомером фирмы RFT.
Как видно из рис. 1, уровень звукового давления, создаваемого в низкочастотной области, почти на 20 дБ ниже уровня звукового давления на частоте 34 кГц.
Для увеличения уровня изгибных колебаний предложено создать в пьезоэлементе электрическое поле, стимулирующее эти колебания, для чего электроды на пьезоэлементе были разделены на кольца (1, 1') и диски (2, 2'). Генератор подключался к электродам 1 и 2' (рис. 2, а) или 1 и 2 (рис. 2, б). В этом случае вектор электрического поля E возбуждающего напряжения составлял угол б с вектором поляризации P, причем 0<б≤90°.
а) б)
Рис. 2.
При использовании этих схем в пьезоэлементах возможны два конкурирующих процесса – усиление изгибных колебаний за счет расположения вектора возбуждающего поля и одновременно уменьшение этих колебаний за счет увеличения собственного сопротивления пьезоэлемента. Это потребовало экспериментальной проверки предложенной идеи.
Для экспериментов использовался пьезоэлемент Ш66 и толщиной 3 мм из пьезокерамики ЦТС-19.
Для преобразователей (рис. 2, а, б) были измерены амплитудно-частотные характеристики по звуковому давлению. Одновременно на резонансной частоте измерялось внутреннее трение в пьезоэлементе [2]. Результаты измерений приведены на рис. 3, а, б соответственно.
а) б)
Рис. 3.
Из рис. 3 видно, что для преобразователей с б≈90° (рис. 2, а, б) уровень звукового давления возрос примерно на 12 дБ, резонансная частота не изменилась, а r0 увеличилось примерно в 4 раза по сравнению с преобразователем с б=0° (рис. 1, а).
Для дальнейшего увеличения звукового давления предложено создать на входе пьезоэлемента колебательный контур из добавочной индуктивности Lдоб и межэлектродной емкости пьезоэлемента Cэл. Величина индуктивности Lдоб определяется из выражения [3]:
,
где fр – резонансная частота пьезоэлемента; Cэл – емкость между электродами 1–2', 1–2 и 1–1' соответственно.
Схемы подключения пьезоэлемента с добавочной индуктивностью показаны на рис. 4.
а) б) в)
Рис. 4.
Результаты измерений АЧХ преобразователей (рис, 4, а, б, в) показаны на рис. 5, а, б, в соответственно.
а) б) в)
Рис. 5.
Из рис. 5 видно, что уровень звукового давления на частоте 4,05 кГц для преобразователей с добавочной индуктивностью (рис. 4) возрос примерно на 24 дБ по сравнению с преобразователями без индуктивности (рис. 3) и примерно на 36 дБ по сравнению с известной схемой подключения (рис. 1) на этой же частоте. Для схем с б≈90° (рис. 4, а, б) уровень звукового давления возрос примерно на 10 дБ, по сравнению с преобразователем с б=0° (рис. 4, в).
Заключение. Обнаружено возникновение низкочастотных колебаний в мономорфных пьезоэлементах. Описаны два способа повышения уровня звукового давления, создаваемого с помощью мономорфного пьезоэлемента. Предложено подключать мономорфные пьезоэлементы так, чтобы вектор электрического поля E возбуждающего напряжения составлял угол б≈90° с вектором поляризации Р. Для схем с б≈90° уровень звукового давления возрос примерно на 12 дБ по сравнению с преобразователем с б=0°. При использовании дополнительного колебательного контура на входе пьезоэлемента уровень звукового давления низкочастотных колебаний возрос проимерно на 24 дБ по сравнению с преобразователями без контура и примерно на 36 дБ по сравнению с известной схемой подключения (б=0°).
Полученная информация может быть использована при проектировании электроакустических преобразователей.
Список литературы
Sharapov V. Piezoceramic sensors. Heidelberg, Dordrecht, London, New York: Springer Verlag, 2011. , , Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006. Sharapov V., Sotula Zh., Kunitskaya L. Piezoelectric electroacoustic transducers. Heidelberg, Dordrecht, London, New York: Springer Verlag, 2013. , , Электроакустические преобразователи. М.: Техносфера, 2013. , , К вопросу о линеаризации выходных характеристик пьезоэлектрических силоизмерительных преобразователей // Известия вузов СССР – «Приборостроение». 1975. № 3. , Применение частотно-модулированных колебаний в измерительных преобразователях // Известия вузов СССР – «Приборостроение». 1976. № 8. , , Об эффекте возникновения изгибных колебаний в мономорфных пьезоэлементах // Вестник ЧГТУ. 2011. №3. С. 60-62. www. ipfran. ru Подводные электроакустические преобразователи: Справочник / Под ред. // Л.: Судостроение, 1983.Рекомендована кафедрой компьютеризированных и информационных технологий в приборостроении | Поступила в редакцию 28.10.2013 г. |
Сведения об авторах:
Валерий Михайлович Шарапов – д-р техн. наук, профессор; Черкасский государственный технологический университет; кафедра компьютеризированных и информационных технологий в приборостроении; E-mail: *****@***ru
Олег Николаевич Петрищев – д-р техн. наук, профессор; Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»; кафедра акустики и акустоэлектроники; E-mail: om. *****@***
Александр Михайлович Прохоренков – канд. техн. наук, профессор; Мурманский государственный технический университет; кафедра автоматики и вычислительной техники
Константин Викторович Базило – канд. техн. наук; Черкасский государственный технологический университет; кафедра компьютеризированных и информационных технологий в приборостроении; E-mail: *****@***ru
Жанна Васильевна Сотула – канд. техн. наук; Черкасский государственный технологический университет; кафедра компьютеризированных и информационных технологий в приборостроении; E-mail: *****@***ua
