Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Управление образования Верхнесалдинского городского округа

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 2 с углубленным изучением физики, математики, русского языка и литературы»

Исследовательский проект

(научно - техническое направление)

Пьезоэлектрический эффект: эффектен или эффективен?

Исполнитель: Ионкин Александр

учащийся 11 а класса ОУ №2

Руководитель: Шевчук Любовь Александровна

Учитель физики, высшая категория

Верхняя Салда 2008

Введение

«Ощущение тайны - наиболее прекрасное из

доступных нам переживаний. Именно это

чувство стоит у колыбели истинного искусства

и настоящей науки».

Альберт Эйнштейн

Необыкновенная, феноменальная физика? Что может быть в ней такого необыкновенного или удивительного? Конечно, физики считают физику захватывающей наукой, но это потому, что она составляет дело их жизни. Открытие новой субатомной частицы или нахождение нового способа объяснения знакомого явления может привести в сильный трепет. Однако небольшое, но приносящее удовлетворение волнение способно вызвать наблюдение и понимание повседневных явлений природы в окружающем нас мире. Ведь куда занятнее иметь дело с звукозаписью, дистанционными датчиками и зажигалками, если понимать их суть. Поистине удивительны, феноменальны успехи физики в объяснении повседневных явлений.

Мы живем в ХХI веке, веке новых технологий. Жизнь не стоит на месте. Происходит развитие науки, техники, промышленности, технологии и везде используются новейшие подходы к тем или иным процессам. Уже известные, открытые давно и кем-то явления, находят свое новое применение, второе рождение или находят использование в смежных с наукой и техникой областях - архитектуре, строительстве, связи и прочее.

Так и пьезоэлектрический эффект находит широчайшее применение. Мне кажется даже, что есть еще очень много скрытых резервов, ненайденных областей и сфер его применения.

В этом учебном году я начал работать над своим исследовательским проектом по научно-техническому направлению «Пьезоэлектрический эффект: эффектен или эффективен?».

При работе над проектом я ставил перед собой цель: выяснить возможности применения пьезоэлектрического эффекта в различных областях жизнедеятельности человека.

Для себя я выделил следующие задачи:

Познакомиться с историей открытия и изучения явления пьезоэлектрического эффекта;

Рассмотреть теорию пьезоэлектрического эффекта;

Познакомиться со сферами применения пьезоэлектрического эффекта;

Выполнить опыты по демонстрации прямого и обратного пьезоэффектов и предложить способ определения значения напряжения, возникающего при прямом пьезоэффекте.

пьезоэлектрический напряжение эффект

История открытия и исследования пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они обнаружили, что если кристаллы некоторых диэлектриков (сегнетовой соли, кварца и др.) подвергнуть механическому воздействию, сжатию, то на их поверхности появляются электрические заряды противоположных знаков, или, как теперь принято говорить, в кристалле возникает наведенная поляризация, которая создает внешнее и внутреннее по отношению к кристаллу электрические поля. Это явление - возникновение электрического поля в результате давления - было названо прямым пьезоэффектом.

Было ли это открытие случайным или ему предшествовала научная гипотеза? При исследовании электрических свойств твердых диэлектриков кристаллической структуры Пьер Кюри сформулировал весьма общий принцип, который теперь называется принципом Кюри. Смысл его состоит в следующем: явление обладает всеми признаками симметрии, которыми обладает причина, их породившая; асимметрия явления предопределена асимметрией причины. Поскольку в вершинах кристаллической решетки расположены ионы противоположных знаков, то суммарный заряд кристаллов любой формы равен нулю. Однако если центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, то дипольный момент кристалла отличен от нуля и обладает поляризацией. Поэтому если дипольный момент кристалла в недеформированном состоянии равен нулю, то в результате деформации кристалла под механическим воздействием центры положительных и отрицательных ионов могут сместиться один относительно другого и на поверхностях кристалла появляются заряды противоположных знаков. Возможность такого смещения зависит от симметрии (формы) кристалла.

Сформулированный принцип и теория групп позволили выделить классы кристаллов, которые обладают пьезоэффектом. Обратный пьезоэффект состоит в том, что свободные кристаллы, обладающие прямым пьезоэффектом, под воздействием электрического поля деформируются. Вскоре братья Кюри экспериментально подтвердили обратный пьезоэффект.

Первые количественные измерения, устанавливающие связь величины заряда с давлением на кристаллах сегнетовой соли, были проведены Поккельсом в 1894 году.

В математическую форму эти количественные соотношения были облечены немецким ученым Фойгтом (Voigt) в 1910 году. В 1928 году он привел достаточно полную систему этих соотношений, которая обобщала накопленные знания в области пьезоэлектричества за предшествующий период. Соотношения, полученные Фойгтом, являются основополагающими для построения математической модели в электроупругости.

Сразу же широкое применение пьезоэффект находит в грамзаписи, а на производстве -- в многочисленных пьезодатчиках систем контроля и управления.

С середины 30?х годов XX века пьезоэлементы начинают применять в радиолокационных системах: специальные резонаторы и фильтры, изготовленные из природного кварца, выделяли из широкого спектра радиоволну, отраженную от цели, и усиливали ее. В этих устройствах работал уже принцип обратного пьезоэффекта: при подаче на пьезоэлектрик электрического тока кристалл деформировался и в нем возникали колебания, резонирующие с волной, пропускаемой фильтром частоты. Во время второй мировой войны системы ПВО, разработанные англичанами на основе кварцевой пьезоэлектрики, обнаруживали немецкие самолеты на дальних подступах, лишая противника преимущества внезапности. Во многом именно благодаря этому провалился план Геринга разгромить Великобританию силами Люфтваффе.

Развитие авиа-- и ракетостроения в 50?60?е годы потребовало массового производства более точных приборов как для бортовых, так и для наземных систем навигации и радиолокации. Подходящего же (без структурных дефектов) природного кварца добывалось совсем немного. Настоящий пьезотехнический бум начался с середины пятидесятых годов, когда научились выращивать искусственный кристалл кварца -- впервые это удалось сотруднику Института кристаллографии имени Шубникова АН СССР (ИКАН)Александру Штенбергу.

Лангасит - перспективный пьезоэлектрический материал

В 1983 году группа советских ученых физфака МГУ и Института кристаллографии выращивают первый кристалл лангасита (лантан галлиевый силикат -- La 3 Ga 5 SiO 14). Первоначально его планировали использовать в качестве активного элемента твердотельных лазеров с изменяемой частотой излучения, некоторые параметры материала не устроили специалистов по нелинейной оптике. Зато его пьезоэлектрические качества оказались настолько перспективными, что в немыслимые по тем временам сроки, уже через два года после открытия, началось производство кристаллов лангасита на нескольких растовых установках Подольского опытно-химического завода (кураторами выступали специалисты кафедр кристаллографии МИСиСа и ИКАНа). Тогда же «Фонон» -- головной институт по разработке пьезотехники, незадолго до того отпочковавшийся от столичного предприятия «Пьезо», получил задание разработать приборы на лангасите для головок наведения ракет.

Интерес к лангаситу был вызван тем, что он имел более широкую полосу пропускания по сравнению с кварцем и в то же время в отличие от танталата и ниобата лития обладал температурной стабильностью. Ширина пропускания характеризуется спектром сопутствующих основной волне частот, и чем шире полоса пропускания полезного сигнала в усилителях промежуточных частот, тем больший объем цифровой информации может обработать приемопередающая радиоаппаратура и, соответственно, выдать более точные координаты быстролетящей цели. Важность миниатюрных широкополосных фильтров трудно переоценить, когда речь заходит, например, о сотовой связи. Так, для работы телефонов распространенного сейчас стандарта GSM (передача речи и стационарных картинок) требуется полоса пропускания всего в 200 кГц, а для W-CDMA, которому прочат роль всемирного стандарта следующего поколения, поскольку он позволяет передавать видеоизображение в режиме реального времени, необходима полоса шириной уже более 5 МГц. То есть при частоте базовой волны в 2 ГГц показатель ширины пропускания фильтра должен быть выше 0,3%. У кварца показатель ширины пропускания в зависимости от частоты основной волны составляет 0,1?0,3%, у лангасита -- от 0,3 до 1%.

На сегодняшний день Россия заключила контракт с французской Temex Microsonics. В их совместный проект в рамках европейской инновационной программы Eureka в течение трех лет будет инвестировано около 3 млн евро. Более 2 млн предоставит французская сторона, в первую очередь правительство Франции, более 200 тыс. выделит Фонд Бортника, еще около 700 тыс. собственных средств вложит «Фомос». В результате российская компания выйдет с новым пьезоэлектрическим (от греческого piezo -- давлю) материалом лангаситом на европейский рынок, а Temex Microsonics организует из него серийное производство фильтров для получающих все большее распространение мобильных систем нового поколения (стандарт W-CDMA).

Физическая теория пьезоэлектрического эффекта

Диэлектрики (по греч. dia - через, сквозь, по англ. elec - электрический) - это вещества, которые не проводят электрический ток. Причиной этого является отсутствие у диэлектриков свободных зарядов. Положительные и отрицательные заряды в молекулах и атомов диэлектриков связаны друг с другом кулоновскими силами, значительно превосходящими силы, с которыми внешнее электрическое поле может воздействовать на эти заряды. Оно не может оторвать их друг от друга, а может лишь сместить на расстояние порядка размеров самой молекулы (10 -10 м). Поэтому положительные и отрицательные заряды в молекулах диэлектриков являются связанными. Они не могут свободно передвигаться по диэлектрику, внесенному во внешнее электрическое поле.

В молекулах веществ можно указать точку, в которой суммарный заряд электронной оболочки молекулы будет оказывать на ее положительные заряды такое же воздействие, какое оказывали бы все отрицательные заряды этой молекулы, будучи распределены по всему ее объему.

Эта точка называется центром тяжести отрицательных зарядов молекулы. Точно так же можно указать центр тяжести положительных зарядов, т.е. точку, в которой суммарный положительный заряд молекулы будет оказывать на ее отрицательные заряды такое же воздействие, какое на них оказывают все положительные заряды молекулы.

Диэлектрики, в молекулах которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совмещены в отсутствии внешнего электрического поля называют неполярными диэлектриками. Примером таких диэлектриков могут быть газы: водород, азот, кислород. Диэлектрики, в молекулах которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов пространственно разделены и в отсутствии внешнего электрического поля называются полярными. Примером полярных молекул служат молекул служат молекулы льда.

Смещение зарядов в молекулах и атомах диэлектрика в противоположных направлениях под действием электрического поля, в результате чего на поверхностях диэлектрика возникают нескомпенсированные связанные заряды, называется поляризацией диэлектрика.

У однородных и изотопных твердых аморфных диэлектриков, а также диэлектриков жидких и газообразных, в отсутствие внешнего электрического поля поляризация всегда отсутствует из-за разориентации дипольных моментов отдельных молекул. Если такой поляризованный диэлектрик удалить из внешнего электрического поля, то тепловое хаотическое движение, всегда присущее молекулам, быстро ликвидирует связанные заряды на его поверхностях и при этом суммарный дипольный момент каждой единицы объема диэлектрика станет равен нулю, то есть поляризация исчезнет.

Однако в природе существуют кристаллические диэлектрики, молекулы которых образуют группы, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией даже в отсутствие внешнего электрического поля. Понятно, что эти группы могут быть образованы только из полярных молекул. Такие группы молекул называются доменами. Поведение молекул, входящих в состав домена, объясняется законами квантовой механики.

Диэлектрики, обладающие доменной структурой, называют сегнетоэлектриками. Название это происходит от слов «сегнетова соль» - наиболее типичного сегнетоэлектрика, который в свою очередь, был назван в честь французского аптекаря Э. Сегнетта, впервые синтезировавшего это вещество.

Все сегнетоэлектрики - кристаллы.

При помещении кристалла неполяризованного сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле и увеличении напряженности этого поля домены начнут все более ориентироваться по полю, чему препятствует тепловое разориентирующее движение молекул.

Рисунок 1 Сегнетоэлектрик во внешнем поле

При достижении некоторой достаточно большой напряженности все домены кристалла окажутся ориентированы по полю. Такое состояние диэлектрика называется насыщением, а соответствующая напряженность - напряженностью насыщения.

Если удалить диэлектрик из электрического поля, то он сохранит поляризацию.

Способность сохранять поляризацию и в отсутствие внешнего электрического поля является самой главной особенностью, отличающей сегнетоэлектрики от остальных диэлектриков.

Чтобы располяризовать сегнетоэлектрик, надо его поместить в электрическое поле, антинаправленное первоначальному.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков. Второй существенной особенностью, отличающей их от остальных диэлектриков, является чрезвычайно высокое значение относительной диэлектрической проницаемости, достигающей у отдельных сегнетоэлектриков нескольких тысяч, тогда как у остальных диэлектриков она колеблется в пределах десяти и только у воды достигает 81. Третьей особенностью сегнетоэлектриков является зависимость относительной диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего электрического поля, тогда как у остальных диэлектриков она постоянна.

Все сегнетоэлектрики обладают такими замечательными свойствами лишь в определенном интервале температур. Например, сегнетова соль имеет доменную структуру лишь в интервале температур между -15 0 С и 22,5 0 С. При иных температурах она ведет себя как обычный диэлектрик. Например, у кварца до температуры 200 градусов Цельсия пьезоэлектрические свойства изменяются незначительно, а затем до температуры 576 градусов Цельсия начинают медленно ослабевать. При 576 градусах происходит перестройка кристаллической решетки кварца, в результате которой пьезоэлектрические свойства у него исчезают. При понижении температуры изменение свойств кварца происходит в обратном направлении.

Эти переходные температуры, при которых диэлектрик становится сегнетоэлектриком, называются точками Кюри, по имени братьев Пьера и Жолио Кюри, которые обнаружили это явление.

У большинства диэлектриков поляризация возникает под действием внешнего электрического поля, а у пьезоэлектриков в результате механического воздействия, например, при сжатии или растяжении.

Различают продольный и поперечный пьезоэффект.

Возникновение зарядов на гранях, перпендикулярных полярной оси, при однородной деформации кристалла вдоль этой оси называется продольным пьезоэффектом. Однако можно вызвать появление зарядов на тех же гранях, сжимая или растягивая кристалл перпендикулярно полярной оси, если только при этом происходит растяжение или сжатие кристалла вдоль полярной оси. Это явление называется поперечным пьезоэффектом. Его существование обуславливается связью между продольными и поперечными деформациями твердого тела.

Рисунок 2 Продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты

Пьезоэлектриками являются все сегнетоэлектрики, а также некоторые другие диэлектрики, например, кварц, некоторые сорта керамики.

Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем кристаллическая подрешетка из отрицательных ионов. В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов. Поляризованность в первом приближении прямо пропорциональна деформации, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна силе. Следовательно, поляризованность прямо пропорциональна приложенной силе. Между разноименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, которую можно измерить, а по ее значению сделать заключение о величине деформаций и приложенных силах.

Физическая картина поляризации твердых диэлектриков раскрывается квантовой механикой. Я рассмотрю только формальную теорию поляризации.

Пьезоэлектрики - кристаллы, имеющие решетку из положительных и отрицательных ионов, у которых при деформации их в определенных направлениях на гранях, перпендикулярных направлению деформирующей силы, возникают поверхностные связанные заряды.

Рисунок 3 Решетка кварца

Если эти грани снабдить металлическими обкладками, то на их внешней поверхности появятся наведенные свободные заряды того же знака, что и связанные. Между обкладками получится разность потенциалов.

Классическим (и практически важным) пьезоэлектриком является кварц (SiO 2). Элементарная ячейка его кристаллической решетки содержит три молекулы, состоящие из ионов кремния (положительных) и кислорода (отрицательных). Они схематично показаны на рисунке 3,а (недеформированный кристалл): положительные ионы - заштрихованные кружки, отрицательные - белые.

При сжатии кристалла в направлении Х 1 симметрия ячейки нарушается (рисунок 3,б). На верхней грани кристалла появляется связанный отрицательный заряд, на нижней - такой же положительный. При растяжении (рисунок 3,в) знаки зарядов изменяются на противоположные.

Поверхностная плотность зарядов при малых относительных деформациях пропорциональны возникшему в кристалле механическому напряжению:

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта.

Коэффициент пропорциональности - пьезомодуль d - выражается в кулонах на ньютон (Кл Н -1). Для кварца

d =2 10 -12 Кл/Н.

Рассмотрим обратный пьезоэффект: при подаче на кристалл электрического напряжения он деформируется, причем знак деформации зависит от направления внешнего электростатического поля

Рисунок 4 Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов. Стрелками F и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р - вектор поляризации

Пусть в кристалле создано механическое напряжение =10 4 Па. При этом плотность возникших зарядов составит

2 10 -8 Кл/м 2

и в кристалле (=4,5) образуется электростатическое поле с напряженностью

При толщине кристалла h =10 -2 м на обкладках его граней получится разность потенциалов 5 В.

При подаче на пьезоэлектрик переменного электрического напряжения он приходит в вынужденные механические колебания. При резонансе (а пластина обладает собственной частотой, которая обратно пропорциональна толщине кристалла) амплитуда колебаний резко возрастает. Если кристалл опущен в жидкость, акустическое сопротивление которой не слишком отличается от акустического сопротивления кристалла, то в жидкости возбудятся интенсивные механические волны. Обычно применяют ультразвуковые частоты, при которых длина волны в жидкости невелика, - это дает возможность получить волну, распространяющуюся без заметного поглощения, что представляет практический интерес.

Ультразвуковую волну можно создать в твердом теле (например, в металлической отливке), где волна распространяется без заметного поглощения. Но если в металле имеется полость, случайно возникшая при изготовлении отливки, то на ней волна рассеется. Поэтому, зондируя металл ультразвуковой волной, можно находить, не разрушая его, внутренние дефекты.

Так как ускорения при ультразвуковых волнах очень велики - при амплитуде х m =10 -6 м и частоте =10 5 Гц амплитуда ускорения составит

4 10 5 м/с 2 =4 10 4 g,

То ультразвуковые волны используются для очистки поверхности металлических тел (опущенных в жидкость), для создания эмульсий (взвесей капелек одной жидкости в другой, в ней не растворяющейся) и многих других практических применений.

Как измерить значение высокого напряжения, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте?

Пьезоэлемент - основная часть пьезозажигалки. Поэтому все свои опыты я проводил используя пьезозажигалку. Для ее удобного использования я вынул два вывода из пластмассового корпуса.

Чтобы при демонстрации прямого пьезоэффекта определить напряжение на выходе, один вывод от зажигалки я соединил с корпусом демонстрационного электрометра, другой - со стержнем электрометра. При плавном нажатии на кнопку зажигалки стрелка электрометра начинает отклоняться. Но определить максимальное значение напряжения с помощью электрометра мне не удалось, так как стрелка прибора выходит за пределы шкалы (мы знаем, что цена деления шкалы электрометра примерно 300 В).

Попробую определить, в каких пределах будет лежать полученное напряжение. Для этого проведем опыт с люминесцентной лампой. Удалю, стартер из схемы лампы и попробую лампу, включенную в сеть зажечь. Лампа не зажигается. Для того чтобы в лампе наблюдался самостоятельный разряд необходимо иметь разность потенциалов порядка десяти киловольт. Попробую создать такие условия с помощью пьезоэлемента от зажигалки, включенного вместо стартера. Один из выводов пьезозажигалки соединяем с одним из электродов лампы, другой - с проводом, намотанным на стеклянную поверхность лампы. При нажатии на клавишу пьезозажигалки лампа загорается.

Для более точного определения напряжения на выходе зажигалки я использовал демонстрационные весы. К дну одной из чашек весов приклеил квадрат из металлической фольги и с помощью очень тонкой проволоки соединил его с одним контактом зажигалки. Затем металлизированную чашечку перевернул и установил на весы. Сверху этой чашечки расположил еще один квадрат из фольги (воспользовался конструкцией весов) и соединил его со вторым контактом зажигалки. Две металлические пластинки из фольги образуют плоский конденсатор. Уравновесил чашки весов с помощью грузов.

При плавном нажатии на клавишу зажигалки возникает сила электростатического притяжения между пластинами и весы выходят из равновесия. По отклонению стрелки весов определяю массу гирек, необходимых для восстановления равновесия. Тем самым я смогу измерить максимальное значение силы между пластинками и вычислить напряжение. Я провел 3 опыта в которых использовал пластинки площадью S=1,21 10 -2 м 2 , расстояние между ними устанавливал 2 10 -2 м, среднее значение в опытах массы m=7 10 - 4 кг.

Зная, что

Используя формулу 1, полученную для вычисления напряжения я получил следующие результаты

При проведении опытов по измерению напряжения на выходе пьезозажигалки я наблюдал и обратный пьезоэффект. Так, разряжая пластины конденсатора посредством короткого замыкания, я слышал щелчок пьезоэлемента вследствие его деформации при разряде конденсатора.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Основное применение пьезоэффекта: - взаимопреобразование механических и электрических колебаний - датчики частот, датчики и источники ультразвуковых колебаний, звукосниматели, манометры и т.д., так как пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход.

Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке 5, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Рисунок 5 Пьезотрансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Пьезоэлемент - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Рисунок 6 Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика;2 - электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины

Пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующие на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьезоэлектрика используют электроды, покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Сегодня говорят о перспективном применения пьезокерамических материалов. Пьезоэлектрические материалы условно можно разбить на две группы: пьезоэлектрические монокристаллы и пьезокерамика.

Природные пьезоэлектрические материалы имеют достаточно высокую стоимость. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими пьезоэлектрическими монокристаллами, которые выращиваются в специальных установках. Пьезоэлектрические свойства таких кристаллов с достаточно высокой повторяемостью можно задавать путем композиции входящих в него компонентов.

Выращенные кристаллы определенным образом режутся на пластины, некоторые (сегнетоэлектрики) поляризуются, и из них путем шлифования и нанесения электродов изготавливаются пьезоэлектрические элементы.

Пьезоэлектрическая керамика по физическим свойствам это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов).

По химическому составу это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония. Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок синтезируют разные составы пьезокерамики, обладающие определенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками.

Наибольшее распространение получила группа пьезокерамических материалов типа ЦТС (цирконата-титаната свинца). Вместе с тем используется керамика на основе титаната бария (ТБ) и титаната свинца (ТС). В последние годы разрабатываются новые пьезокерамические материалы со свойствами, позволяющими в некоторых случаях использовать их вместо более дорогостоящих пьезоэлектрических кристаллов. В частности, разработана и производится группа материалов на основе ниобата свинца, которая уже нашла практическое применение благодаря возможности ее использования в диапазоне частот до 30 и более МГц. Значительные исследования проводятся по созданию пьезокерамических композитных материалов, а также многослойной керамики. Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят ее на сегнетожесткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление на керамику средней сегнетожесткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

В отличие от пьезоэлектрических кристаллов, пьезокерамические элементы изготавливаются методом полусухого прессования, шликерного литья, горячего литья под давлением, экструзии или изостатического прессования с последующим обжигом на воздухе при температуре 1000-1400 0 С. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода, или элемент изготавливается с помощью метода горячего литья. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды.

После этого керамику делают пьезоэлектрической с любым выбранным направлением поляризации путем помещения ее в сильное электрическое поле при температуре ниже так называемой точки Кюри. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров.

Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам.

Рисунок 7 Пьезоэлементы различной конфигурации

В зависимости от предназначения пьезоэлементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию -- от плоской до объемной (сферы, полусферы и т. п.)

Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств. Некоторые пьезокерамические элементы уже изначально могут выполнять функции компонента или узла и не нуждаются в дополнительной доработке. Все изделия, изготовленные на базе пьезокерамики, подразделяют на следующие основные группы: генераторы, датчики (сенсоры), актюаторы (пьезоприводы), преобразователи и комбинированные системы.

Пьезокерамические генераторы преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект. Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.

Рисунок 8 Пьезоэлектрические датчики

Пьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте.

В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.

Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации).

В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов используют диски, кольца, цилиндры и пластины. В качестве примеров можно привести датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т.п. Примером гибких датчиков могут быть датчики силы и ускорения.

Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы) строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела. Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые, поперечные и гибкие. Осевые и поперечные актюаторы имеют еще общее название -- многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 10 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Такие актюаторы также называют мощными.

Гибкие актюаторы (биморфы) развивают незначительную блокирующую силу при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части. Однако американской компании APC International Inc. удалось создать и выйти на рынок с новым типом пластинчатого биморфа -- «ленточным актюатором» (зарегистрированная торговая марка). Ленточный актюатор может обеспечивать блокирующую силу 0,95 Н и величину отклонения 1,2 мм или отклонение до 3 мм и блокирующую силу 0,6 Н.

Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. К этой же группе будут относиться и перспективные осевые актюаторы, представляющие собой моноблок, изготовленный по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы могут производиться предприятиями, не связанными с производством пьезокерамики. Гибкие же и осевые актюаторы из многослойной керамики сами по себе являются пьезокерамическими элементами. Их могут производить только предприятия, владеющие технологиями и оборудованием для производства пьезокерамических элементов.

Пьезокерамические преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Так же как и актюаторы, основываются на принципе обратного пьезоэффекта.

Преобразователи в зависимости от диапазона частот подразделяются на три вида:

звуковые (ниже 20 кГц) -- зуммеры, телефонные микрофоны, высокочастотные громкоговорители, сирены и т. п.;

ультразвуковые -- высокоинтенсивные излучатели для сварки и резки, мойки и очистки материалов, датчики уровня жидкостей, дисперсионные распылители, генераторы тумана, ингаляторы, увлажнители воздуха. Значительной группой выделяются так называемые ультразвуковые измерители расстояния в воздушной среде, являющиеся пьезокерамическими компонентами. Они используются в качестве измерителей расстояния для автотракторной техники, сенсоров наличия и движения в охранных системах, в уровнемерах, для дистанционного контроля и управления, в устройствах отпугивания птиц, зверей и сельскохозяйственных вредителей и т. д. Производятся устройства трех типов: передающие, приемные и приемо-передающие;

высокочастотные ультразвуковые -- оборудование для испытания материалов и неразрушающего контроля, диагностика в медицине и промышленности, линии задержки и т. д.

Комбинированные пьезокерамические системы преобразуют электрические величины в электрические, при последовательном использовании обратного и прямого пьезоэффектов. В качестве примеров таких систем можно привести эхолоты, измерители потоков, пьезотрансформаторы, «искатель ключа».

Несмотря на то, что пьезоэффект был открыт еще в XIX веке, а со второй половины XX активно развивалась теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика -- один из перспективных материалов века XXI. Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями.

Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в 60-70 годах XX века. Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей. В настоящее время пьезокерамика широко используется для ультразвуковой диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефтяном и газовом комплексе; силовая пьезокерамика -- в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении и т. д.

В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов и в комбинированных системах. Однако современные требования по энергосбережению, миниатюризации, адаптивности к компьютерным системам управления и контроля все чаще заставляют производителей техники и оборудования обращаться к производителям пьезокерамики с целью совместного поиска тех или иных технологических решений с помощью пьезокерамики. В результате появляются новые типы пьезокерамики, создаются новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты. Особое внимание в настоящее время уделяется пьезокерамическим трансформаторам и актюаторам.

Хотя настоящее потребление пьезотрансформаторов не так велико, потенциал их применения в будущем, тем не менее огромен.

Одним из перспективных направлений является их использование в бытовых и производственных газонаполненных осветительных приборах в качестве резонансных DC-AC конверторов. Сейчас для этих целей применяются самые разные компоненты. В основу перспективных осветительных приборов уже заложены принципы, позволяющие экономить до 80 % электроэнергии по сравнению с ныне используемыми приборами. Поэтому единственный параметр, которому должны отвечать перспективные конверторы, являются их минимальные геометрические размеры. Изучение рынка подтверждает, что разработчиков осветительной техники интересуют не столько сравнительные характеристики по напряжению или по потребляемой мощности конверторов, сколько размеры, позволяющие устанавливать их в цоколе лампы. Последние исследования показали целесообразность использования многослойных пьезокерамических трансформаторов в новой осветительной технике. Были разработаны прототипы таких конверторов, удовлетворяющие практически всем требованиям, кроме цены. Поэтому производители пьезокерамики активно работают над технологией, которая позволила бы добиться снижения их себестоимости.

Другим перспективным направлением использования пьезотрансформаторов является их применение в силовых устройствах. На рынке появились современные устройства, которые используют не традиционные однослойные (Rosen Type) пьезотрансформаторы, а многослойные трансформаторы. Примерами этого могут служить дисплеи обратного свечения на жидких кристаллах (The liquid crystal display back light) и системы управления холодным катодом флуоресцентного освещения (Driving cold cathode fluorescent lightning). В качестве достоинств многослойных пьезотрансформаторов по сравнению с традиционными можно отметить их малый размер (особенно толщина) и меньшее потребление энергии. Однако для современных многослойных трансформаторов, которые появились на рынке, определяющими факторами по-прежнему являются цена и размеры, над снижением которых активно работают производители.

Существует большая вероятность использования пьезотрансформаторов в перспективных телевизионных и компьютерных дисплеях. Уже отработаны прототипы таких дисплеев, которые получили название ПЭД -- Полевые Эмиссионные Дисплеи (FED -- Field Emission Display). Это плоские панельные дисплеи, имеющие более высокую разрешающую способность и четкость изображения по сравнению с современными. Однако уже сейчас разрабатывается новое поколение экранов с немерцающим изображением (Flicker Free Image Screen), для питания которых также предусматривается использование многослойных пьезокерамических трансформаторов. Рынок телевизионной и компьютерной техники изумляет своими новинками и заставляет производителей пьезокерамических элементов интенсифицировать исследования и разработки в данной области.

Пакетные актюаторы (Stack Acuators) уже сейчас применяются в космической, лазерной технике и оптических инструментах для настройки антенн и зеркал с манометрической точностью. Считается, что они найдут более широкое использование там, где важно развить движущее усилие при минимальном угле перемещения.

Одним из перспективных направлений является их применение в точной настройке станков. Благодаря своей жесткой структуре пьезоприводы являются идеальным инструментом для быстрой и точной их настройки. Прилагая фиксированное напряжение к шаблону в фазе с вращением шпинделя, можно обеспечить высокую точность обработки детали рабочим телом станка.

В станкостроении планируется их использование и для подавления (компенсации) вибрации. Нежелательную вибрацию станков можно компенсировать с помощью многослойных актюаторов, работающих в противофазе с вибрационными колебаниями. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению качества конечного изделия, а также позволит избежать чрезмерного износа инструмента и существенно снизит уровень шума станка. Компенсаторы вибрации могут найти применение не только в станкостроении, но и в других сферах.

Еще одним перспективным направлением использования пакетных актюаторов является управление гидравлическими клапанами. Примером этого могут служить последние разработки пьезокерамических высокоскоростных клапанов как для топливной аппаратуры дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей, так и для газораспределительных систем дизелей и двигателей внутреннего сгорания.

Ярким примером комплексного использования пьезокерамических элементов, узлов и деталей на их основе могут послужить совместные разработки американской компании APC International, Ltd. c производителями комплектующих для автомобильной промышленности.

Современные, технически сложные автомобили постоянно требуют внедрения дополнительной электроники для повышения надежности, безопасности и комфорта.

Таким образом, пьезокерамика благодаря своим уникальным свойствам находит все большее применение в различных областях техники и технологии. Иностранные производители пьезокерамики, элементов и компонентов на ее базе, пытаясь более полно удовлетворить современные требования рынка, проводят исследования и конструкторские работы с целью улучшения параметров керамики, разрабатывают ее новые типы, на что выделяются значительные финансовые средства. С целью удешевления продукции разрабатываются новые технологии, более энергосберегающие и позволяющие автоматизировать процессы производства. Считается, что только крупные компании-производители пьезокерамики, оснащенные передовыми технологиями и современным оборудованием, смогут в полной мере удовлетворить требования мирового рынка.

Пьезоэффект на службе градообразующего предприятия ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»

«Корпорация ВСМПО -Ависма» ведущее предприятие в мире по производству полуфабрикатов из титановых сплавов для авиационной промышленности, атомной энергетики, медицины и других сфер. Наше предприятие является одним из основных поставщиков таких известных фирм как Snecma, Rolls Royce, Boeing, Pratt & Whitney, Goodrich.

Это стало возможным благодаря высокому качеству производимой продукции, высокотехнологичным процессам производства, использованию современного оборудования и методов производства.

Доминирующим показателем рентабельности предприятия является себестоимость выпускаемой продукции. И снижение себестоимости с постоянно растущим качеством - основная и постоянная задача предприятия. Составляющей себестоимости продукции являются технологические операции контроля продукции, которые на нашем предприятии прежде всего надежны и чувствительны.

Известно, что пьзоэффект лежит в основе ультразвукового контроля.

На нашем предприятии ультразвуковой контроль широко применяют для стопроцентного контроля изделий механических, термических, литейных цехов, т.е. тех изделий, которые благодаря сложности своей конфигурации исключают другие виды дефектоскопии (рентгеновский, люминесцентный).

Ультразвуковой контроль основан на способности энергии ультразвуковых колебаний распространяться с малыми потерями в однородной упругой среде и отражаться от нарушений сплошности в этой среде. Существуют два основных метода ультразукового контроля -- метод сквозного прозвучивания и метод отражения. Ультразвуковой луч вводится в образец, и индикатор измеряет интенсивность колебаний, прошедших через образец или отраженных от неоднородностей, расположенных внутри образца. Дефект выявляется либо по уменьшению прошедшей через образец энергии, либо по энергии, отраженной от дефекта. Осуществляется ультразвуковая дефектоскопия при помощи дефектоскопов.

Дефектоскоп (от лат. «дефект» - недостаток и греч. «скопео» - «смотрю») - устройство, позволяющее обнаружить дефекты в изделиях из различных металлических и неметаллических материалов без их разрушения. Нет ли в изделии каких-нибудь трещин, раковин в глубине или других дефектов, которые могут привести к аварии, - все это выяснит дефектоскоп. А ведь даже незначительная трещина, не видимая невооруженным глазом, может привести к разрушению изделия.

Рассмотрим физический аспект работы ультразвукового дефектоскопа - УЗД.

Главный элемент такого прибора - кварцевая пластинка. Когда на нее падает отраженная дефектом звуковая волна, кварц сжимается и растягивается с частотой колебаний звуковой волны и на его гранях возникает переменное электрическое напряжение. Это - следствие прямого пьезоэлектрического эффекта; в результате под действием механического напряжения на поверхности кварца и некоторых других диэлектриков возникает электрический заряд в результате их поляризации.

Если же на обкладки кварцевой пластины подать импульс переменного напряжения, то кварцевая пластина начинает колебаться с частотой подаваемого напряжения и становится источником акустических колебаний той же частоты наблюдают обратный пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект присущ только кристаллам, элементарные ячейки которых не имеют центра симметрии. Это ионные кристаллы, состоящие как бы из двух или нескольких «вдвинутых» одна в другую простых решеток, каждая из которых построена из ионов одного знака - либо положительных, либо отрицательных. При деформации кристалла эти простые решетки сдвигаются относительно друг друга. При этом изменяется электрический момент кристалла: на его гранях появляется электрическое напряжение. Поляризация пьезоэлектрика в электрическом поле приводит к его деформации - обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Рисунок 9 Схема УЗД

Рассмотрим схему УЗД. От генератора на кварцевую пластинку (1) поступает высокочастотный импульс (2). Кварцевая пластинка начинает колебаться и излучает ультразвуковые волны в объем испытываемой металлической детали.

Отражаясь от дефекта, например трещины, ультразвук возвращается на пластинку и превращается в электрические колебания (3), поступающие на осциллограф (5). По расстоянию между прямым и отраженным импульсами можно определить глубину залегания дефекта (4).

Лаборатория ультразвукового контроля была создана на ВСМПО в 1962 году. Инициатором создания лаборатории неразрушающих методов контроля был Владислав Валентинович Тетюхин. Он привез ультразвуковой дефектоскоп и обучил на нем работать. Лаборатория была признана одной из лучших в авиационной отрасли. Руководил коллективом Арпад Францевич Немет. Здесь работали настоящие специалисты. Например, после долгих мук с датчиками для ультразвукового контроля Кишиневского завода было решено изготавливать их самим. За дело взялся Н.И.Калинин - и сделал! Такой тщательности и аккуратности, скрупулезности в работе, как у Николая Ивановича, не было ни у кого. Вот уж кто был незаменимым специалистом!

Подобные документы

Характеристика пьезоэлектрического эффекта. Изучение кристаллической структуры эффекта: модельное рассмотрение, деформации кристаллов. Физический механизм обратного пьезоэлектрического эффекта. Свойства пьезоэлектрических кристаллов. Применение эффекта.

курсовая работа , добавлен 09.12.2010


Физические основы ультразвука - упругих колебаний, частота которых превышает 20 КГц, распространяющихся в форме продольных волн в различных средах. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта. Медицинские области применения ультразвуковых исследований.

контрольная работа , добавлен 06.01.2015


Понятие кристаллической (пространственной) решетки. Кристаллическая структура эффекта. Области применения промышленных пьезопленок. Обратный пьезоэлектрический эффект. Использование пьезоэлектрических кристаллов для получения электрической энергии.

курсовая работа , добавлен 14.04.2014


Характеристика магнитоупругого эффекта как явления обратного магнитострикции, заключающееся в изменении намагниченности магнетика под действием механических деформаций. Использование данного эффекта для измерения силы, крутящего момента и давления.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Понятие и общая характеристика фотоупругого эффекта и его применение для получения картины распределения напряжения. Основные методы измерения физических величин: параметров светового излучения, давления и ускорения с помощью фотоупругого эффекта.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Понятие потенциометрического эффекта и его применение в технике. Эквивалентная схема потенциометрического устройства. Измерение физических величин на основе потенциометрического эффекта. Датчики, построенные на основании потенциометрического эффекта.

контрольная работа , добавлен 18.12.2010


Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории. Эффект Холла в ферромагнетиках и полупроводниках. Датчик ЭДС Холла. Угол Холла. Постоянная Холла. Измерение эффекта Холла. Эффект Холла при примесной и собственной проводимости.

курсовая работа , добавлен 06.02.2007


Особенности и принципы осуществления позисторного эффекта в сегнетоэлектриках. Модели Хейванга и Джонкера. Технология и основные этапы получения позисторов, сферы их практического применения, экспериментальные исследования соответствующего эффекта.

курсовая работа , добавлен 21.12.2015


Общая характеристика и сущность пьезорезонансного эффекта. Пьезорезонансные датчики и сенсоры. Способ регистрации ионизирующих излучений. Определение аммиака в воздухе. Погрешности, ограничивающие точность измерений на основе данного физического эффекта.

курсовая работа , добавлен 26.03.2012


Эффект дальнодействия при ионном и фотонном облучении. Метод микротвердости как способ регистрации эффекта дальнодействия. Биологическое действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (КВЧ). Эффект дальнодействия в системе кремниевый диод.

Для получения ультразвука используют

Обратный пьезоэлектрический эффект;

Магнитострикцию;

Электрострикцию;

Пьезоэлектрический эффеект - эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Колебания пластинки передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют линейные размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень в переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, по которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (например, керамики) способны изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, получившее названиеэлектрострикции, внешне отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используют описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными.

Излучатели ультразвука .

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис.1)

Пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

Электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

Генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты .

I = ρ ω 2 ʋ А 2 / 2 (1)

Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования.

Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10 -14 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 .

Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой.

Приемники ультразвука . Электромеханические УЗ-приемники используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта.

В этом случае под действием УЗ волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

Свойства УЗ, обуславливающие его применение в диагностических и терапевтических целях (малая длина волны, направленность, преломление и отражение, поглощение, глубина полупоглощения)

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым и химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

а)Малая длина волны. Направленность . Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ=υ/ν , найдем: для звука с частотой 1 кГц длина волны λ зв =1500/1000=1,5 м; для ультразвука с частотой 1 МГц длина волны λ уз =1500/1 000 000=1.5 мм.

Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны с λ=1,5 м, но станет преградой для УЗ волны с λ=1,5 мм. При этом возникает УЗ тень, поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и преломления. То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.

б) Преломление и отражение. Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Законы, которым подчиняются эти явления полностью аналогичны законам отражения и преломления света. Поэтому во многих случаях распространение УЗ волн изображают с помощью лучей.

Для количественной характеристики процесса вводят понятие коэффициента отражения R=I отр /I о, где I отр - интенсивность отраженной ультразвуковой волны; I о - интенсивность падающей. Это безразмерная величина, меняющаяся в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).

Чем сильнее различаются волновые сопротивления (ρυ) сред, тем больше доля отраженной энергии и меньше доля энергии, переходящей через границу раздела.

Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха (R=1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.

Смазка должна удовлетворять соответствующим требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению кожи, обладать малым коэффициентом поглощения УЗ, иметь значительную вязкость, хорошо смачивать кожу, быть нетоксичной (вазелиновое масло, глицерин и др.).

в)Поглощение, глубина полупоглощения. Следующим важным свойством ультразвука является его поглощение в средах: энергия механических колебаний частиц среды превращается в энергию их теплового движения. Поглощаемая при этом средой энергия механической волны обуславливает нагревание среды. Этот эффект описывается формулой:

I = I о. е -кl (3)

где I - интенсивность ультразвуковой волны, прошедшей расстояние l в среде; I o - начальная интенсивность; к – коэффициент поглощения ультразвука в среде; е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71).

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения.

Глубина полупоглощения – это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.

Глубина полупоглощения для различных тканей имеет различное значение. Поэтому в медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей: малая – 1,5 Вт/м 2 , средняя – (1,5-3) Вт/м 2 и большая –(3-10)Вт/м 2 .

Поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани.

8. Взаимодействие УЗ с веществом: акустические течения и кавитация, выделение теплоты и химические реакции, отражение звука, звуковидение).

а) Акустические течения и кавитация. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом специфических эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, возникают акустические потоки (звуковой ветер), скорость которых достигает 10 м/с. На частотах диапазона УСЧ (0,1-10)МГц в ультразвуковом поле с интенсивностью в несколько Вт/см 2 может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Эта особенность распространения УЗ используется в ультразвуковых ингаляторах.

К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация -рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой УЗ и захлопываются в положительной фазе давления. При схлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысячи атмосфер , образуются сферические ударные волны. Такое интенсивное механическое воздействие на частицы, может приводить к разнообразным эффектам, в том числе и разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука. Механические эффекты особенно значительны при действии фокусированного ультразвука.

Еще одним следствием схлопывания кавитационных пузырьков является сильный разогрев их содержимого (до температуры порядка 10 000 0 С), сопровождающийся ионизацией и диссоциацией молекул.

Явление кавитации сопровождается эрозией рабочих поверхностей излучателей, повреждением клеток и т.п. Однако, это явление приводит и к ряду полезных эффектов. Так, например, в области кавитации происходит усиленное перемешивание вещества, что используется для приготовления эмульсий.

б) Выделение теплоты и химические реакции. Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границе раздела сред, когда коэффициент отражения близок к единице (100%). Это связано с тем, что в результате отражения интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. В этом можно убедиться экспериментально. Надо приложить к влажной руке излучатель УЗ. Вскоре на противоположной стороне ладони возникает ощущение (похожее на боль от ожога), вызванное УЗ, отраженным от границы «кожа-воздух».

Ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к нагреванию ультразвуком, чем однородные ткани (печень). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие может привести к перегреву.

В некоторых случаях используют сфокусированный ультразвук для локального воздействия на отдельные структуры организма. Такое воздействие позволяет добиться контролируемой гипертермии, т.е. нагрева до 41-44 0 С без перегрева соседних тканей.

Повышение температуры и перепады давления, которыми сопровождается прохождение ультразвука, могут приводить к образованию ионов и радикалов, способных вступать во взаимодействие с молекулами. При этом могут протекать такие химические реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. Химическое действие УЗ проявляется, в частности, расщепление молекулы воды на радикалы Н + и ОН - с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 .

в) Отражение звука. Звуковидение. На отражении УЗ волн от неоднородностей основано звуковидение, используемое в медицинских ультразвуковых исследованиях. В этом случае ультразвук, отраженный от неоднородностей, преобразуются в электрические колебания, а последние – в световые, что позволяет видеть на экране те или иные предметы в непрозрачной для света среде.

На частотах УЗВЧ-диапазона создан ультразвуковой микроскоп – прибор, аналогичный обыкновенному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит в том, что при биологических исследованиях не требуется предварительно окрашивания объекта. При увеличении частоты УЗ волны увеличивается разрешающая способность (можно обнаруживать более мелкие неоднородности), но уменьшается их проникающая способность, т.е. уменьшается глубина, на которой можно исследовать интересующие структуры. Поэтому частоту УЗ выбирают так, чтобы сочетать достаточное разрешение с необходимой глубиной исследования. Так, для УЗ исследования щитовидной железы, расположенной непосредственно под кожей, используют волны частоты 7,5 МГц, а для исследования органов брюшной полости используют частоту 3,5 - 5,5 МГц. Кроме того, учитывают и толщину жирового слоя: для худых детей используется частота 5,5 МГц, а для полных детей и взрослых – частота 3,5 МГц.

9.Биофизическое действие УЗ: механическое, тепловое, физико-химическое.

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений , сопутствующих распространению ультразвука в среде.

Механическое действие определяется переменным акустическим давлением и заключается в вибрационном микромассаже тканей на клеточном и субклеточном уровнях, повышении проницаемости клеточных, внутриклеточных и тканевых мембран вследствие деполимеризующего действия ультразвука на гиалуроновую кислоту и хондроитинсульфат, что влечет за собой повышение гидратации дермального слоя.

Тепловой эффект связан с трансформацией механической энергии в тепловую, при этом тепло в тканях организма образуется неравномерно. Особенно много тепла накапливается на границах сред вследствие разницы акустического сопротивления тканей, а также в тканях, поглощающих ультразвуковую энергию в большем количестве (нервная, костная ткани), и в местах, плохо снабжающихся кровью.

Физико-химическое действие обусловлено тем, что химическая энергия вызывает в тканях организма механический резонанс. Под влиянием последнего ускоряется движение молекул и усиливается их распад на ионы, изменяется изоэлектрическое состояние. Образуются новые электрические поля, возникают электрические изменения в клетках. Изменяются структура воды и состояние гидратных оболочек, появляются радикалы и различные продукты сонолиза биологических растворителей. В результате наступают стимуляция физико-химических и биохимических процессов в тканях, активация обмена веществ.

В 1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электростатические заряды. В дальнейшем атому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф.Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определенных концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных в определенной ориентировке из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причем величина механической деформации пропорциональна напряженности электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать е явлением электрострикции, т. е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте -- линейна.

Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуру и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твердых диэлектриках, главным образом, кристаллических.

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т, е. когда она вызывает индуцированный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах, имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решетки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твердых аморфных и скрытокристолических диэлектриках, так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов, Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближенно вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.

Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи k. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющейся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости с (модулями Юнга Ею) или обратными величинами -- упругими постоянными s.

При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, предстовляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебаний. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругих волн в пьезоэлементе. В настоящее время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие находят практическое применение.

Пьезоэлектрический эффект (греч. piezo — давлю и электричество) — явление, характеризующее возникновение электрической поляризации (индукции) под действием механических напряжений или возникновение деформации под действием электрического поля в некоторых веществах (пьезокристаллах). Если пьезоэлектрическую пластину, вырезанную определенным образом, подвергнуть действию механических напряжений (сжатию, растяжению, сдвигу), то на ее поверхности появляются электрические заряды, обусловленные поляризацией, — это так называемый прямой пьезоэффект; при внесении такой пластинки в электрическое поле возникает ее деформация, линейно зависящая от напряженности электрического поля, — обратный пьезоэффект.
Механизм прямого пьезоэффекта объясняется возникновением или изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической решетки в результате смещения зарядов под действием механических напряжений. При действии электрического поля на элементарные заряды в ячейке приходит их смещение и как следствие изменение средних расстояний между ними, т.е. деформация (обратный пьезоэффект).
Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими его у кварца и некоторых других кристаллов.
Необходимое условие существования пьезоэлектрического эффекта — отсутствие у кристалла центра симметрии. Только в этом случае приложение напряжений может привести к появлению нескомпенсированного электрического заряда, т.е. к возникновению поляризации. Пьезоэлектриками являются кварц, турмалин, сенгетова соль, титанат бария, дигидрофосфат калия, сульфоиодид сурьмы, сульфид калия и др. Он присущ также костям человека.
Принцип прямого пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении приемников ультразвуковых колебаний. Обратный пьезоэлектрический эффект служит для получения ультразвука, и все терапевтические ультразвуковые аппараты основаны на этом эффекте. Суть получения ультразвука заключается в следующем. Если к торцевым поверхностям пластинки из пьезокристалла, вырезанной определенным образом, с помощью электродов приложить переменное электрическое напряжение, то толщина ее будет поочередно уменьшаться в соответствии с частотой переменного тока. При уменьшении толщины пластинки в прилагающих слоях окружающей среды образуется разрежение, а при ее увеличении сгущение частиц среды. В результате периодического изменения толщины пластинки, называемой пьезоэлектрическим преобразователем, в среде возникает ультразвуковая волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном поверхности пластинки. Изменение толщины пластинок из пьезокристаллов весьма невелико, оно пропорционально подводимому электрическому напряжению: AS = L U, где AS — изменение размеров пластинки: L пьезоэлектрический модуль: U — подводимое напряжение.
С целью повышения интенсивности ультразвуковых колебаний используется явление резонанса, что требует учета частоты собственных колебаний вещества. Если частота переменного напряжения, подаваемого на пьезокристалл, совпадает с его собственной (резонансной) частотой, то амплитуда колебаний пластинки будет наибольшей. Соответственно, окажется максимальной и интенсивность ультразвуковых волн, распространяющихся в окружающую среду. В свою очередь, резонансная частота пластинки зависит от ее размеров: чем тоньше пластинка, тем больше ее резонансная частота. Например, для пластинки из кварца толщиной 1 мм резонансная частота соответствует 2,88 МГц, а при толщине 0,5 мм — 5,76 МГц.
Раньше в ультразвуковых терапевтических аппаратах в качестве пьезоэлемента использовали кварцевые пластинки. Сегодня его заменяют керамикой из титаната бария, у которой пьезоэлектрический эффект во много раз выше.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной симметрией. К наиболее распространенным в природе минералам-пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин. Пьезоэффектом обладают некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры). Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками .

Рис. 1

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механическую деформацию (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию, т.е появление на его поверхностях электрических зарядов разных знаков (рис.1а, F - действующие силы, Р - вектор электрической поляризации). При противоположном направлении механических сил меняются знаки зарядов (рис.1б). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

Рис. 2

Но пьезоэффект обратим . При воздействии на пьезоэлектрик электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические деформации (рис.1в). При изменении направления электрического поля соответственно изменяются деформации (рис.1 г). Это явление получило название обратного пьезоэффекта (рис.2б) .

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд. В отсутствие внешнего электрического поля эта поляризация не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и соответственно изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности. Именно это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и от характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 0,23 мкм. Незначительность деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением g:

Р=αg (1).

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности α называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем). Он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

r=αE (2),

где r - деформация;

Е - напряженность электрического поля.

Рис. 3

Пьезомодуль α для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического элемента, закрепленного на металлическом диске (рис.3). Вибрация диска вызвана приложенным к нему напряжением. Переменное напряжение определенной частоты создает звуковой сигнал. Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции, имеют малое энергопотребление, у них отсутствуют электрические шумы. С помощью пьезокерамики удается получать значительную громкость звука. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1 м до 130 дБ (уровень болевого порога)

Рис. 4

Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях:

- “чистые” преобразователи (без схемы управления) - пьезозвонки;
- излучатели со схемой управления (с встроенным генератором) - оповещатели.

Чтобы преобразователи первого типа генерировали звуки, необходимы сформированные управляющие сигналы (синусоида или меандр определенной частоты, указанной для конкретной модели преобразователя). Излучатели со встроенным генератором требуют подачи только определенного уровня напряжения. Такие устройства выпускаются на номинальные напряжения от 1 до 250 В (постоянного и переменного тока).

Например, пьезокерамический звонок (пьезозуммер) ЗП-1 (рис.4) состоит из двух пьезоблоков, мембрана каждого из которых выполнена в форме неглубокой тарелки с внешним диаметром 32 мм. Тарелки сложены встречно и пропаяны по внешней границе. Пьезоэлементы в звонке скоммутированы таким образом, что при подаче переменного напряжения поверхности тарелок либо сходятся, либо расходятся, т.е. с обеих сторон звонка образуются зоны сжатия и разрежения. Резонансная частота звонка-2 кГц.

Рис. 5

Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В. Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезоизлучателей, внешний вид которых показан на рис.5 . На рис.6 представлены амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов: ПВА-1 - рис.6а и ЗП-5 - рис.6б.

Табл.1 характеристики пьезоизлучателей

Примечание: * - предназначен для работы в автоколебательном режиме.

Рис. 6, амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов

А.Кашкаров