Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое Пьезоэлектрический излучатель, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Пьезоэлектрический излучатель, пьезозуммер, пьезоизлучатель, пьезокерамический излучатель, пьезокерамический звонок, пьезокерамические звонки с акустической камерой, пьезокерамический оповещатель, звуковой сигнализатор, пьезосирена , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Акустроэлектроника и акустооптика.
Пьезоэлектрический излучатель , пьезоизлучатель — электроакустическое устройство, способное воспроизводить звук, либо излучать ультразвук, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту.
Пьезоэлектрические звукоизлучатели ЗП имеют ряд других названий: пьезозуммер , пьезоизлучатель, пьезокерамический излучатель , пьезокерамические звонки, пьезокерамические звонки с акустической камерой , пьезокерамический оповещатель , звуковой сигнализатор , пьезосирена .
Представленные пьезоизлучатели ЗП характеризируются звуковым давлением (75дБ, 90дБ), частотой резонанса (1000Гц – 5000Гц) и рабочим напряжением (3В – 9В). Именно на эти параметры в первую очередь следует обратить внимание при выборе пьезоизлучателя. Повышенная рабочая температура среды составляет не более +60°С, пониженная рабочая температура – не ниже -30°С.
Буквенный код пьезоэлементов и резонаторов — латинские буквы BQ.
Пьезоэлектрические преобразователи находят широкое применение в звукотехнике: в звукоснимателях электропроигрывающих устройств, микрофонах, головках громкоговорителей. Принцип действия этих приборов показывают символом пьезоэлектрического эффекта, отличающимся от основного УГО только меньшими размерами и отсутствием выводов от обкладок (см. рис , BM1, BF1, BA1).
Принцип их действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, открытом братьями Пьером и Жаком Кюри еще в 1880 году, и заключающемся в том, что в некоторых кристаллах (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под действием приложенных механических сил на их гранях образуются электрические заряды. В зависимости от вида кристалла, заряды могут появиться и при сдвиге, изгибе и кручении. Кроме вышеописанного «прямого» эффекта существует и обратный эффект (который был теоретически предсказан в 1881 году Липманом и экспериментально подтвержден в работах Кюри). Если приложить электрическое напряжение к обкладкам пьезокристалла, то кристалл начнет деформироваться: удлиняться, изгибаться, скручиваться и т. д. Идея использовать такие кристаллы в конструкции электроакустических преобразователей появилась очень давно и была реализована в период 1920-1940 годов в звукоснимателях, микрофонах, акселерометрах, ультраакустических преобразователях и пр.
Пьезоэлектрический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесен слой пьезоэлектрика, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами. Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием[1]. В качестве рупора также может использоваться углубление в корпусе устройства, в котором используется пьезоизлучатель.
Пьезоэлектрические излучающие элементы могут иметь сферическую или цилиндрическую форму поверхности[2].
Вообще, пьезокерамика неблагодарная субстанция, для того, чтобы свои колебания сообщить воздушной среде. Проиллюстрируем это на таком примере. Пусть в пьезокерамическом образце возбуждена стоячая волна. Она характеризуется некоторым значением звукового давления и амплитудой смещения частиц при колебаниях. Поставим вопрос. Как отличаются амплитуды колебаний частиц в керамике и в воздухе при равных там и там звуковых давлениях? Ответ: в 75 тысяч раз. Причина в том, что произведение плотности воздуха на скорость звука в воздухе в 75 тысяч раз меньше, чем аналогичное произведение для керамики. Доля излучения по мощности еще меньше – одна семидесятипятитысячная в квадрате! Иное дело, передача звука в воду. Ее плотность в тысячу раз больше и скорость звука в пять раз больше, чем у воздуха. Поэтому техника гидроакустики и техника воздушной акустики имеют мало общего. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Несмотря на такую пессимистическую предпосылку с помощью пьезокерамики удается получать значительные показатели по громкости. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1м до 130дБ. Как ощутить эту цифру? Это болевой порог. Абсолютное значение звукового давления, соответствующего 130дБ – это 60 н/м2 или 6 кГ/м2. Такой звук давит на барабанную перепонку с силой, примерно 0,2Г. Кто не знает, что такое биметаллическая пластина? Две спеченные металлические пластины с различными коэффициентами линейного расширения при нагревании изгибаются на величину, многократно превышающую термическое удлинение. А если бы одна из пластин удлинялась, а другая пластина укорачивалась?.. Необходимым элементом электроакустического преобразователя с применением пьезокерамики является биморфная конструкция из двух тонких пьезоэлементов, из которых один при подаче напряж ения растягивается, а другой сжимается. Чаще всего между пьезоэлементами вклеивается третий элемент – металлическая мембрана. Металл придает прочность конструкции. Еще чаще бывает достаточно использовать один пьезоэлемент, а в качестве второго элемента биморфа служит сама мембрана (см. рис.1). Такие конструкции называют Биморфными пьезоэлементами или пьезоблоками.
Их обычные размеры 10 – 60 мм в диаметре и 0,2 – 1,5 мм по толщине. При этом диаметр пьезоэлемента обычно в 1,5 – 2 раза меньше диаметра мембраны. При подаче на пьезоэлемент напряжения его диаметр, в зависимости от полярности, либо увеличивается, либо уменьшается. Порядок изменения диаметра составляет 0,05 мкм на каждые 10В напряжения. Однако, вследствие изгиба, края мембраны приподнимутся или опустятся на 20мкм. Таким образом, малое расширение пьезоэлемента мы преобразовали в 400 раз большее изгибное смещение на краю мембраны. Вот уже упомянутое число 75000 превратилось В 187! Но двинемся дальше. Теперь нужно использовать явление резонанса. Ведь при резонансе амплитуда возрастает в число раз, равное добротности. Обычное значение добротности пьезоблока равно 50 – 70 единиц, и теперь пресловутые 75000 превращаются в обыкновенную тройку. Казалось бы задача решена, но не тут то было! Несмотря на большую амплитуду пьезоблок не звучит. Он не излучает звук. Маленький пьезоблок совсем не слышно. Пьезоблок большего размера слышно, но слабо. В чем кроется причина? Обратимся к рис.2, на котором схематично изображены две фазы колебаний круглого биморфного элемента. Точками а отмечена окружность нулевой амплитуды – узловая окружность
На краю и в центре элемента Амплитуда максимальна, но колебательное движение происходит в противофазе. Для каждой фазы колебаний образуются три пары областей разрежениясжатия воздуха. Поскольку размер пьезоблока меньше длины волны звука (для частоты 2 – 3кГц длина волны 110 – 170мм) области разрежения и сжатия не могут гнать волну дальше, а в течение половины периода успевают попарно «схлопнуться» и давление все время вокруг выравнивается. Пути выравнивания давления показаны двусторонними стрелками. Это явление называют акустическим коротким замыканием. Чтобы наше устройство зазвучало необходимо устранить акустическое короткое замыкание. Эта задача отнюдь не является сложной и придумано немало способов, которые успешно себя зарекомендовали на практике. От того, какой способ применен, зависит конструктивное исполнение и внешние очертания устройства.
Оповещатели
Пьезокерамический оповещатель (пьезосирена, сигнализатор) – это звукоизлучающее устройство, предназначенное привлечь внимание на сравнительно большом расстоянии или в условиях шумового фона. Они представляют собой либо собственно электроакустический преобразователь, либо снабжены встроенным генератором звуковой частоты с питанием от источника постоянного напряжения. Оповещатели по сравнению со звонками должны развивать более высокое звуковое давление. Это достигается одновременно двумя путями. Вопервых, используется более высокое (десятки вольт) переменное напряжение, воздействующее на пьезоблок, во-вторых, принимаются конструктивные меры для увеличения излучающей поверхности. Звонок с акустической камерой наиболее просто превратить в оповещатель, снабдив его рупором. Рупор – это труба с увеличивающейся площадью поперечного сечения. В узком начале трубы находится источник звука, а широкий конец – излучающий. В пьезокерамических оповещателях, для уменьшения габаритов, используются свернутые рупоры, На рисунке 7 схематично изображен разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором. Звуковая волна, от отверстия акустической камеры, радиально распространяется по лабиринту, меняя направление (вверх-вниз).
С каждой сменой направления поперечное сечение становится все больше. В итоге, площадь излучающего кольцевого отверстия многократно больше площади первоначального источника звука. Пример оповещателей с рупором – ОСА-100 и ОСА-110 – представлен на фотоизображении, рис.8.
Иной способ увеличения излучающей поверхности – это использование диффузора или диафрагмы. Например так, как показано на рис.10. Воронкообразный диффузор своим основанием приклеивается к центру пьезоблока, в точке максимальной амплитуды колебаний.
Периферийная часть пьезоблока служит противовесом. Таким образом, функцию излучающего звук элемента выполняет диффузор, а пьезоблок выполняет функцию привода.
Отечественные пьезоизлучатели имеют обозначения, состоящие из букв «ЗП» (звукоизлучатель пьезоэлектрический) и номера серии. Наиболее распространенные в отечественной бытовой технике излучатели — ЗП-1 и ЗП-3.
Звукоизлучатели типа ЗП приводятся в действие подачей переменного напряжения определенной частоты и амплитуды, обычно, 3…10 В. Частота, при которой звуковое давление максимально, может достигать 75 дБ на расстоянии 1 метр от излучателя. Резонансная частота для большинства пьезоизлучателей составляет 1…4 кГц. Этим обусловлен их характерный, узнаваемый звук, напоминающий «пип».
Какое напряжение можно подать на звуковой пьезопреобразователь? Подобно тому, как железо можно намагнитить и размагнитить сильным током, так и пьезокерамике можно придать пьезоактивность и лишить ее высоким напряжением. Поэтому рабочее напряжение не должно превышать 30-40% от технологического, которым керамике придаются пьезосвойства. Допустимо, примерно, 350В на 1мм толщины пьезоэлемента. Толщина пьезоэлемента в оповещателе обычно 0,2 - 0,3мм. Стало быть максимальное напряжение составит 70 – 100В.
Каково сопротивление звукового пьезопреобразователя? Если частота тока находится в стороне от резонансной частоты преобразователя, то его сопротивление определяется статической емкостью. Эта емкость обычно лежит в пределах от 20 до 50 нанофарад. Если в пьезоблоке преобразователя использованы два пьезоэлемента по разные стороны от мембраны, то этот интервал удвоится. На резонансной частоте сопротивление уменьшается в число раз, равное добротности, но все же остается довольно значительным. Практически, сопротивление на резонансе, как правило лежит в интервале от 0,5 до 2,0 кОм. Особо мощный преобразователь, тот, что изображен на рис.13, имеет сопротивление на резонансе около 100 Ом.
На какую резонансную частоту проектируются оповещатели? Фактическая частота большинства пьезокерамических оповещателей лежит в интервале от 2,5 до 3,5кГц. Этот интервал соответствует максимальной чувствительности нашего слухового анализатора и, «к счастью», наиболее естественен для пьезокерамических звуковых преобразователей.
Заметим общую особенность пьезокерамических источников звука. Это небольшие интервалы возможных значений упомянутых параметров. Не сравнить конденсаторами и резисторами, где интервалы значений емкости и сопротивления ничем не ограничены. Естественно возникает вопрос. А что, если..? Если в несколько раз увеличить размеры мембраны и пьезоэлемента, то может быть можно существенно увеличить потребляемую и излучаемую мощность? Оказывается нельзя. Препятствие этому – масштабный фактор. Если муравей способен поднять спичку, то это не значит, что, имея вес человека, он поднимет железобетонную плиту. Кузнечик с нашим весом не прыгнет на двести метров. Кузнечик, человек и слон изготовлены из одного биологического материала, и изменение размеров тела не приводит к пропорциональному изменению способностей. Мы можем пропорционально увеличить размеры пьезоблока, но не можем при этом соответственно, сколь-нибудь заметно, изменить параметры материала, из которого он изготовлен.
Мы выяснили, чтобы получить достаточную громкость звука, нужно подействовать на оповещатель переменным напряжением в десятки вольт. Но если используется источник питания на более низкое напряжение, 6, 9, 12 вольт? Пожалуй, наиболее простой способ повысить напряжение на оповещателе – это использовать эдс самоиндукции катушки индуктивности. Схема оконечного устройства с дросселем проста, однако принцип работы требует пояснения, так как это поможет правильно выбрать параметры компонентов схемы. Обратимся к рисунку. На рис.16а показана упрощенная схема оконечного устройства, включающая в себя источник эдс Е, дроссель L, диод Д, пьезопреобразователь П и ключ Кл. Частоту переключения ключа устанавливают равной резонансной частоте преобразователя. На протяжении половины периода колебаний преобразователя ключ замкнут и, за это время, происходит накопление энергии в катушке. В течение второй половины периода ключ разомкнут и эдс самоиндукции действует на преобразователь.
Теперь продемонстрируем две практические схемы, предназначенные для «раскачки» описанного выше оповещателя ОСА-110-Б. На рис.20а показана схема для питания оповещателя однополярными импульсами. В схемах использованы дроссели с параметрами, близкими к расчетным: L = 15мГн, R = 18 Ом. Эти параметры рассчитаны исходя из «желаемого» звукового давления 107дБ. На рис.20б показана мостовая схема для питания разнополярными импульсами («толчки» в каждый полупериод, но со сменой знака). Последняя схема дает дополнительное увеличение громкости на 5-6дБ.
Пьезоизлучатели широко используются в различных электронных устройствах — часах-будильниках, телефонных аппаратах, электронных игрушках, бытовой технике. Часто используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в устройствах отпугивания грызунов и насекомых, увлажнителях воздуха, ультразвуковых «стиральных машинах» (см. ультразвуковая очистка) пьезозажигалок, пьезотрансформаторов, различных датчиков оповещения.
Пьезоизлучатель также может использоваться в качестве пьезоэлектрического микрофона или датчика.
Исследование, описанное в статье про Пьезоэлектрический излучатель, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Пьезоэлектрический излучатель, пьезозуммер, пьезоизлучатель, пьезокерамический излучатель, пьезокерамический звонок, пьезокерамические звонки с акустической камерой, пьезокерамический оповещатель, звуковой сигнализатор, пьезосирена и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Акустроэлектроника и акустооптика
Комментарии
Оставить комментарий
Акустроэлектроника и акустооптика
Термины: Акустроэлектроника и акустооптика