1.3 Пьезоэлектрические преобразователи

Преобразователи, действие которых основано на пьезоэлектрическом эффекте, состоят из отдельных или объединенных в группы пьезоэлементов (стержней, пластинок, дисков, цилиндров и т.д. из пьезоэлектрического материала) с нанесенными на определенные поверхности электродами. С электродов снимается электрический заряд, образующийся при прямом пьезоэффекте, или к ним подводится электрическое напряжение для создания деформации в результате обратного пьезоэффекта. Для изготовления пьезоэлементов наиболее часто применяют пьезокерамику, состоящую из кристаллов сегнетоэлектрических соединений или твердых растворов на их основе.

Феноменологическая теория пьезоэффекта не вскрывает его внутренней сущности, но математически верно описывает явление. Эта теория устанавливает связь между электрическими и механическими величинами в пьезоэлектрических телах, которые с одной стороны являются анизотропными диэлектриками, а с другой – обладают анизотропными упругими свойствами.

В 1944 г. Б. М. Вул и И. М. Гольдман открыли новый сегнетоэлектрик – титанат бария (тибар). Сегнетоэлектрическим веществам благодаря особенностями внутренней структуры присуща в некотором интервале температур спонтанная поляризация. Для них характерно наличие температуры Кюри, ниже которой кристалл разбит на спонтанно поляризованные области (домены), причем поляризация в различных доменах ориентирована по разным направлениям. При действии внешнего электрического поля происходит переориентация доменов и появляется поляризация у кристалла в целом. Выше температуры Кюри спонтанная поляризация разрушается тепловым движением. При температурах ниже точки Кюри все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами.

Сегнетоэлектрики обычно используют в поликристаллическом виде, получаемом по обычной керамической технологии. Сегнетоэлектрическая керамика, заполяризованная электрическим полем и превращенная таким образом в пьезоэлектрический материал, получила название пьезоэлектрической керамики или пьезокерамики.

Для улучшения свойств и повышения их стабильности в пьезокерамику тибара вводят модифицирующие добавки. В 1952 году был открыт пьезоэлектрик ниобат свинца, а затем ряд твердых растворов на его основе. Особенно высокими пьезоэлектрическими свойствами и стабильностью обладают твердые растворы на основе титаната-цирконата свинца с различными добавками.

10. 1.4 Эквивалентные схемы пьезокерамических преобразователей

В пьезокерамических элементах (ПКЭ) разных геометрических форм можно возбудить линейные или планарные нормальные колебания в различных направлениях. Типы нормальных колебаний, называемые модами колебаний, в ПЭК зависят от взаимной ориентации оси поляризации, электрического поля и колебательного перемещения частиц. По взаимной ориентации электрического поля и колебательного перемещения выделяют моды колебаний, в которых электрическое поле поперечно направлению колебаний (пьезоэлектрически мягкие моды) или совпадают с ними (пьезоэлектрически жесткие моды).

Для выбора независимых электрических переменных ( или ) в уравнениях пьезоэффекта оценивают электрические граничные условия в направлениях одномерного линейного или планарного колебательного движения. Электрические граничные условия определяются расположением поверхностей электродов и формой ПКЭ.

Для пьезомягких мод поверхности электродов параллельны направлению колебаний (используется поперечный пьезоэффект): , поэтому независимой электрической переменной целесообразно выбрать . Входящая в этом случае в соответствующие уравнения состояния упругая константа с индексом свободна от дополнительного вклада, связанного с пьезоэффектом, при этом . Отсюда ясно, почему моды с полем , поперечным колебаниям перемещения, называют пьезомягкими.

Для пьезожестких мод поверхности электродов перпендикулярны направлению колебаний (используется продольный пьезоэффект): , поэтому независимой переменной целесообразно выбрать .

Механические граничные условия для одномерных или планарных мод колебаний формулируются в зависимости от того, какой размер определяет резонансную частоту: наибольший или наименьший. Моды колебаний по этому признаку разделяются на низкочастотные и высокочастотные. Промежуточные моды выделяют как среднечастотные.