2.2. П’єзоелектричні перетворювачі

П’єзоелектричні перетворювачі представляють собою електроакустичний перетворювач, робота якого основана на п’єзоелектричному ефекті. Конструктивно такий перетворювач (рис 2.2.1) складається з окремих чи з’єднаних в групи п’єзоелементів 1, які можуть бути, в свою чергу зв’язані з пасивними механічними елементами 2 – пластинами, мембранами, концентраторами і т.п.

Рис. 2.2.1. Різновиди п’єзометричних перетворювачів (а) та один із варіантів електромеханічної схеми пєзоперетворювача у вигляді пластини (б). R - oпір випромінювання пластини; R_k=pvS (S - площа пластини); h - товщина пластини; C - ємкість між обкладками гальмівної пластини.

В якості матеріалів для виготовлення п’єзоперетворювачів використовують кварц та п’єзокерамічні штучно отримуючі матеріали: цирконат-титанат свинцю, ніобіт літію та інші. Використовуючи штучну п’єзокераміку, можна виготовляти п’єзоперетворювачі необхідної форми і розміру, якщо використовувати різні види деформації і форми коливань механічної системи. Введення добавок іонів в процес виготовлення п’єзокераміки дозволяє в широких межах змінювати властивості п’єзоперетворювачів.

Електроди перетворювачів виробляють з неокисляючих або слабоокисляючх металів і наносять на поверхню п’єзоелемента різними способами: нанесенням в вакуумі, випалюванням пасти, приклеюванням фольги. В режимі випромінювання п’єзоперетворювачі використовують в вузькому діапазоні (поблизу частоти резонансу механічної системи), в режимі приймання – в широкому діапазоні.

При виготовлення п’єзоелементів перетворювача матеріал вибирають з врахуванням наступних параметрів, які характеризують його властивості: матриці пєзомодулів , діелектричної проникності , коефіцієнта пружної податливості, швидкість поширення ультразвукових хвиль, тангенс кута діелектричних втрат, механічної добротностіQ , густини, температури Кюрі, а також різних комбінацій перерахованих параметрів, які дозволяють оцінити можливості матеріалу в структурі конкретного перетворювача. Цей коефіцієнт електромеханічного зв’язку

, (2.1)

де - відносна діелектрична проникність; - діелектрична проникність вакууму, а також чутливість випромінювача по напрузі

, (2.2)

коефіцієнт корисної дії

, (2.3)

чутливість приймача в режимі холостого ходу

, (2.4)

мінімальний сигнал, який може бути прийнятий приймачем на фоні електричних шумів схеми

. (2.5)

Верхні індекси вказують на постійну напругу електричного поля і незмінне пружне напруження. Це уточнення необхідно тому, що параметри матеріалів з високою електричною активністю можуть сильно відрізнятись між собою.

2.3. Інші існуючі типи перетворювачів

Крім магнітострикційнних та п’єзоелектричних перетворювачів, які найбільш поширені, існують також другі типи перетворювачів. Це електродинамічні перетворювачі, дія яких основана на електродинамічному ефекті (випромінюванні) та електромагнітної індукці (прийманні); електростатичні перетворювачі, в яких використовується ефект зміни сили протягування обкладок конденсатора при зміні напруги (випромінювач)і заряду чи напруги при зміні відстані між обкладками (прийманні); електромагнітні перетворювачі, основані на притягування якоря магнітним полем (випромінюванні) і зміні магнітного потоку при руху якоря (прийманні). Існую ряд незворотніх перетворювачів обмеженого використання, до яких можна віднести електроіскрові та електрострикційні (основані на електрострикції рідин) випромінювачі, напівпровідникові тензорезистивні приймачі.

В загальному випадку для оцінки акустичного перетворювача можна використати ефективний коефіцієнт електромеханічного зв’язку:

, (2.6)

де - частина підключеної електричної енергії, перетворюючись в квазістатичному режимі в пружну енергію. Для розрахунку параметрів електроакустичних перетворювачів використовують еквівалентні електромеханічні схеми, які дозволяють спростити аналіз.