акустика / nagaenko_av_pezoelektricheskie_preobrazovateli

Принцип действия цилиндрических преобразователей и их эквивалентные параметры…………………………………………... 52 Эквивалентная электромеханическая схема цилиндрического преобразователя……………………………………………………… 55

Цилиндрический преобразователь, работающий в режиме излучения……………………………………………………………... 57

Цилиндрический преобразователь, работающий в режиме приема………………………………………………………………… 59

Сегментированный (составной/наборный) цилиндрический преобразователь……………………………………………………… 60

Сферический преобразователь………………………………………… 63 Принцип действия и эквивалентные параметры сферического преобразователя……………………………………………………… 63

Эквивалентная электромеханическая схема нагруженной пьезокерамической сферы…………………………………………... 64

Пластинчатые преобразователи……………………………………….. 65 Пластинчатые преобразователи, работающие на колебаниях изгиба…………………………………………………………………. 67

Резонансные частоты пластинчатых преобразователей…………... 70

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭФФЕКТА В РАЗЛИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ………………………………………………… 72

Пьезокерамические трансформаторы…………………………………. 72 Пьезоэлектрические датчики…………………………………………. 77

Датчик давления……………………………………………………... 79 Датчик ускорения……………………………………………………. 82

Пьезоэлектричские актюаторы………………………………………… 86 Основные формулы для расчета пьезоактюаторов………………... 87 Многослойная (пакетная) конструкция…………………………… 89 Соотношение хода и развиваемой силы пакетных актюаторов…... 92 Биморфная конструкция……………………………………………. 93 Пьезоэлектрические двигатели…………………………………….. 95

Пьезоэлектрические генераторы……………………………………… 96

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………. 99 Приложение 1……………………………………………………………... 102 Приложение 2……………………………………………………………... 103 Приложение 3……………………………………………………………... 104

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пьезоэлектрические преобразователи получили широкое распространение в различных областях науки и техники. Такому распространению способствовало использование при конструировании активных элементов пьезокерамических материалов, которые позволяют использовать различные формы колебаний при преобразовании электрической энергии в механическую и наоборот механической в электрическую, а также относительной легкости в управлении параметрами преобразователя, например изменяя форму активного элемента и т.д. При этом, использование пьезокерамических элементов, возможно как при проектировании электромеханических преобразователей малой мощности

(гидроакустические приемники, датчики и т.д.), так и высокомощных преобразователей (гидроакустические излучатели, пьезотрансформаторы,

пьезогенераторы и т.д.). Ввиду столь широкого распространения пьезокерамических преобразователей возрастает необходимость к методам их расчета и проектирования. Литература, в которой описываются методики расчета ПЭП и принципы их проектирования весьма специфична и узконаправленна. Разработанное учебное пособие представляет собой попытку обобщения информации о расчетах пьезоэлектрических преобразователях, используемых в различных областях.

Предлагаемое учебное пособие составлено на основе лекций по дисциплине «Пьезоэлектрические преобразователи и измерительные тракты» читаемой для студентов Института высоких технологий и пьезотехники Южного федерального университета, обучающихся по направлению подготовки «Приборостроение».

Пожелания и замечания направлять по адресу:

344090, Ростов-на-Дону, ул. Мильчакова 10, кафедра

«Информационных и измерительных технологий» Южного федерального университета.

Автор

5

ВВЕДЕНИЕ

Основой подавляющего большинства пьезокерамических изделий являются пьезоматериалы на основе системы цирконата титаната свинца

(ЦТС). Пьзокерамика идеально подходит для применения в качестве электромеханических преобразователей. Основными областями, где используется пьезокерамика, являются гидроакустическая, радиотехническая,

медицинская, автомобильная промышленности, а также методы неразрушающего контроля.

В каждой из областей применения пьезокерамики, ведутся исследования по разработке новых материалов и устройств на их основе,

которые были бы более эффективными, надежными и безопасными.

Необходимость в таких исследованиях обусловлена повышающимися требованиями как к надежности систем и экономической рентабельности, так

ипоявлением новых областей их использования.

Вучебном пособии приведены основные конструкции и расчет различных пьезокерамических преобразователей, описаны принципы их работы. Особое внимание уделено колебательным системам, т.к. от понимания принципа работы электромеханических преобразователей зависит понимание работы любого пьезопреобразователя.

Цель учебного пособия состоит в том, чтобы ознакомить студентов с основными процессами, протекающими в пьезокерамических преобразователях при электромеханической трансформации энергии в различных режимах их работы.

6

ГЛАВА 1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Прямой пьезоэффект, был открыт братьями Кюри в 1880 г., его суть заключается в возникновении электрического заряда на поверхности части кристаллических диэлектриков при воздействии на них механической нагрузки (деформации), т.о. можно говорить, что кристаллы поляризуются.

Если же подобные кристаллы подвергнуть воздействию внешнего электрического поля, то в них возникнет деформация этот эффект получил названия обратного пьезоэффекта. Первыми кристаллами, в которых был обнаружен пьезоэффект были кварц, турмалин и сегнетова соль. Используя оба пьезоэффекта на базе кристаллических пьезоэлектриков, удалось создать различные преобразователи, например звуковые/механические приемники способны преобразовывать полученные колебания в электрический сигнал, а

электрическое напряжение/ток преобразуется в механические колебания на выходе преобразователя.

Открытие пьезоэлектрических свойств у титаната бария позволило перейти к новому классу материалов, а именно поликристаллическим пьезоматериалам, которые стали называть пьезокерамикой.

Электромеханические преобразователи (ЭМП) из пьезоэлектрической керамики широко применяются в различных областях техники и при научных исследованиях. Это обусловлено особыми характеристиками пьезокерамических материалов, которые можно применять для осуществления электромеханической трансформации энергии различные виды колебаний упругих тел разнообразной формы и относительно простыми средствами управлять характеристиками ЭМП, а

также оптимизировать их конструкции.

Пьезоэлектрические элементы ЭМП могут изготавливаться из естественных кристаллов (кварца, турмалина), синтетических кристаллов

7

(сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония) и поликристаллических материалов (пьезокерамики различных составов).

Все пьезоэлектрические материалы (ПМ) в зависимости от их структуры принято разделять следующие группы:

- кристаллические (монокристаллы, к которым относятся как природные, так и искусственно выращенные: сегнетова соль, кварц, турмалин,

ниобат лития);

- керамические на основе твёрдых растворов оксидов металлов.

Пьезокерамика отличается от монокристалла тем, что его она состоит из большого числа маленьких кристаллов (кристаллитов), а каждый кристаллит разбит на множество областей, которые называются доменами.

Т.о. параметры пьезокерамики представляют собой усредненный значения всех входящих в нее кристаллитов.

Керамика – это поликристаллическое тело, состоящее из множества беспорядочно ориентированных монокристаллических зерен (кристаллитов)

размером в несколько микрометров, разделенных межзеренными границами

[1]. Из приведенного определения следует, что любой пьезокерамический материал представляет собой многофазную систему, которая включает в себя кристаллическую сегнетоэлектрическую фазу (целевая фаза определенного химического состава), а также газовую (поры между зерен) и стекловидную

(промежуточная нестехиометрическая и/или аморфная прослойка) фазы.

Кристаллическая фаза определяет свойства пьезокерамики, увеличение доли газовой и стекловидной фаз приводит к их снижению основных характеристик. Микроструктура керамических образцов (распределение в объеме указанных фаз) определяется методами их изготовления, исходными компонентами или прекурсорами, режимами термообработки и скоростью, и

параметрами прохождения фазовых превращений.

До поляризации керамика не характеризуется пьезосвойствами,

поскольку зерна или кристаллиты, из которых она состоит разбиты на домены.

Домен представляет собой микроскопическую область в которой центры

8

тяжести положительно и отрицательно заряженных частиц не совпадают

(разнесены в пространстве), т.о. возникает дипольный момент, который имеет свое направление. В неполяризованной керамике (полидоменых кристаллах)

направления поляризации в каждом домене различны и суммарная поляризация равна нулю. Для того чтобы придать керамики пьезоэлектрические свойства, необходимо подать на нее достаточно высокое электрическое поле (напряжение), под действием которого дипольные моменты переориентируются в направлении приложенного поля или максимально близком к нему. После поляризации керамике становятся присущи пьезоэлектрические свойства, например способность реагировать на приложенное внешнее электрическое поле Е и/или механическое напряжение

σ.

Состояние керамики после процесса поляризации не является стабильным из-за постепенного уменьшения поляризации, вследствие дезориентации направлений дипольных моментов т.е. перестроения доменов.

Как правило остаточная поляризация уменьшается по экспоненциальному закону и достигает десятки лет.

Начиная с 1880 г. и по сегодняшний день в истории пьезоэлектричества выделяют три этапа развития.

Для первого этапа развития характерны исследования, посвященные установлению фундаментальных основ в области сегнето- и

пьезоэлектричества. В результате этой деятельности были определенны и описаны направления применения сегнето- и пьезоэлеткриков.

Второй этап ознаменовался поиском и стремительным развитием исследований новых сегнетоэлектрических материалов, а также методов их производства для промышленного применения. Завершился этот этап отбором сегнето- и пьезоматериалов по эффективности в зависимости от области их применения.

В результате столь бурного появления новых составом материалов на втором этап, на третьем этапе скорость появления новых материалов

9

существенно замедлилась, произошло насыщение. В связи с чем третий этап характеризуется развитием новых и совершенствованием уже имеющихся технологий производства сегнето- и пьезокерамических материалов, что приводит стабильной воспроизводимости свойств, повышению надежности готовых электромеханических преобразователей и самое главное к повышению эффективности самих материалов.

Параметры пьезокерамических материалов

В зависимости от направления электрического поля в пьезоэлектрике и индуцированного пьезоэффектом колебательного смещения, выделяют различные моды колебаний. С целью разделения мод колебаний принято присваивать тем или иным параметрам (таблица 1) индексы i и j. Наиболее распространенными модами колебаний являются поперечные и продольные.

В случае поперечных колебаний электрическое поле в пьезоэлектрике направлено поперечно по отношению к направлению колебаний и индексы при этом не совпадают. Во втором случае (продольные колебания)

Направление поля совпадает с направлением колебаний, а индексы при этом совпадают.

Таблица 1

Параметры пьезоэлектрических материалов [ОСТ 11 0444-87]

Упругие константы

Диэлектрические константы

10