3.2. Емкостные преобразователи

Емкостные преобразовывающие элементы превращают измене­ние емкости в изменение электрического потенциала, тока, напря­жения.

Для простейшего конденсатора, состоящего из двух пластин, раз­деленных слоем диэлектрика (воздух, парафин и др.), емкость опре­деляется по формуле

где  — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — площадь поверхности каждой пластины; d — расстояние между пластинами.

Из этого соотношения следует, что емкость конденсатора зависит от рассто­яния между пластинами. При наличии в цепи емкости постоянного источника то­ка и нагрузки воздействующее на пласти­ны акустическое давление, изменяя рас­стояние между пластинами, приводит к изменению емкости. Изменение емкости приводит к изменению сопротивления це­пи и, соответственно, к изменению сопротивления и падению напря­жения на сопротивлении нагрузки пропорционально акустическому давлению. Эти зависимости используются в конструкции конденса­торных микрофонов. Принципиальная схема конденсаторного ми­крофона приведена на рис. 1.3.17.

Рис. 1.3.17. Устройство кон­денсаторного ми­крофона

Когда на микрофон действует волна звукового давления р, диа­фрагма Д движется относительно неподвижного электрода — жест­кой пластины П. Это движение вызывает переменное изменение электрической емкости между диафрагмой и задней пластиной, а, следовательно, производит соответствующий электрический сигнал на выходе.

Конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком являются одним из основных элементов перестраиваемых колеба­тельных контуров генераторных систем. Они устроены так, что си­стема пластин вдвигается в другую систему пластин, образующих конденсатор переменной емкости. На такой конденсатор акустиче­ское давление оказывается довольно просто, изменяя его емкость, а, следовательно, и характеристики устройства, в котором он устано­влен, приводя к появлению неконтролируемого канала утечки ин­формации.

3.3. Пьезоэлектрический эффект

Изучение свойств твердых диэлектриков показало, что некото­рые из них поляризуются не только с помощью электрического по­ля, но и в процессе деформации при механических воздействиях на них. Поляризация диэлектрика при механическом воздействии на не­го называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект имеется у кристаллов кварца и у всех сегнетоэлектриков. Чтобы его наблюдать, из кристалла вырезают прямоугольный параллелепипед, грани которого должны быть ориентированы строго определенным образом относительно кристалла. При сдавливании параллелепипе­да одна его грань заряжается положительно, а другая — отрицатель­но. Оказывается, что в этом случае плотность поляризованного заря­да грани прямо пропорциональна давлению и не зависит от размеров параллелепипеда. Если сжатие заменить растяжением параллелепи­педа, то заряды на его гранях изменяют знаки на обратные.

У пьезокристаллов наблюдается и обратное явление. Если пла­стину, вырезанную из пьезокристалла, поместить в электрическое по­ле, зарядив металлические обкладки, то она поляризуется и дефор­мируется, например сжимается. При перемене направления внешне­го электрического поля сжатие пластинки сменяется ее растяжением (расширением). Такое явление называется обратным пьезоэлектри­ческим эффектом.

Чтобы воспринять изменение заря­да или напряжения, к пьезоэлектриче­скому материалу подсоединяют две ме­таллические пластины, которые факти­чески образуют пластины конденсатора, емкость которого определяется соотно­шением С = Q/U, где Q — заряд; U — напряжение.

На практике в качестве пьезоэлек­трического материала применяются кри­сталлы кварца, рочелиевая соль, синтетические кристаллы (сульфат лития) и поляризованная керамика (титанат бария).

Рис. 1.3.18. Устройство пьезоэлектрического микрофона

Кварцевые пластины широко используются в пьезоэлектриче­ских микрофонах, охранных датчиках, стабилизаторах генераторов незатухающих колебаний. На рис. 1.3.18 показано устройство пьезоэлектрического микрофона. Когда звуковое давление р отклоняет диафрагму 1, ее движение вызывает деформацию пьезоэлектриче­ской пластины 2, которая, в свою очередь, вырабатывает электриче­ский сигнал на выходных контактах.