Инфракрасные;pdf

КОМП’ЮТЕРНІ МЕРЕЖІ І КОМПОНЕНТИ, ПРИЛАДОБУДУВАННЯ
УДК 681. 586
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Шарапов В. М.1, д.т.н., профессор,
Петрищев О. Н.2, д.т.н., профессор,
Сотула Ж. В.1, к.т.н.,
Салагор А. М. 1, к.т.н.,
Заика В. М. 1, аспирант
1
Черкасский государственный технологический университет
18006, бульв. Шевченко, 460, г. Черкассы, Украина, [email protected]
2
НТУУ «КПИ», 03056, Соломенский район, пр-т Победы, 37, г. Киев, Украина
У статті описано вплив елементів конструкції на характеристики п’єзоелектричного
електроакустичного перетворювача. Наведено варіанти закріплення перетворювача, а також
його амплітудно-частотні характеристики. Розглянуто приклади акустичного навантаження
електроакустичного перетворювача шляхом додання до конструкції додаткового об’ємного
резонатора.
Ключові слова: електроакустичний перетворювач, біморфний елемент, п’єзоелемент,
біінарний резонатор Гельмгольця.
THE IMPACT OF CONSTRUCTIVE ELEMENTS ON THE CHARACTERISTICS
OF PIEZOELECTRIC ELECTROACOUSTIC TRANSDUCERS
Sharapov V. M.1, Dr.Tech.Sc., professor,
Petrishchev O. N.2, Dr.Tech.Sc., professor,
Sotula Zh. V. 1, Ph.D.,
Salogor A. М. 1, Ph.D.,
Zaika V. M. 1
1
Cherkasy State Technological University
18006, Shevchenko blvd, 460, Cherkasy, Ukraine, [email protected]
2
NTUU "KPI", 03056, prospect Pobedy, 37, Kyiv, Ukraine
The article highlights the impact of construction elements on the characteristics of piezoelectric
electroacoustic transducer. The options for fixing the transducer and its amplitude-frequency response
are shown. The examples of acoustic pressure of electro-acoustic transducer by adding of additional
cavity resonator to the construction are considered.
Key words: electroacoustic transducer, bimorph element, piezoelement, binary Helmholtz resonator.
Пьезоэлектрические
преобразователи
широко используются в ультразвуковой, медицинской, измерительной технике, в сканирующих зондовых наномикроскопах, пьезодвигателях, в других областях науки и техники [1, 2].
Весьма перспективным является использование пьезоэлектрических преобразователей в электроакустике.
Электроакустические преобразователи
применяются для работы в воздушной среде
(системы охраны, измерительная техника), в
воде (локаторы, эхолоты, подводная связь),
для создания звуковых волн в твердых телах
(неразрушающий контроль) и др. [3, 4].
66
Пьезоэлектрический электроакустический преобразователь (ПЭАП) представляет
собой электромеханическую колебательную
систему с достаточно высокой добротностью
и содержит, как правило, асимметричный биморфный элемент (БПЭ) [1–4]. Например,
ПЭАП типа ЗП-19, выпускаемый ООО «Аврора» (г. Волгоград) [5] (рис. 1), содержит
биморфный элемент 1, который состоит из
металлической пластины 2 и пьезоэлемента 3,
склеенных между собой эпоксидным компаундом. Биморфный элемент закреплен в корпусе 4 из полистирола с отверстием 5.
ISSN 2306-4412. Вісник ЧДТУ, 2013, № 3
КОМП’ЮТЕРНІ МЕРЕЖІ І КОМПОНЕНТИ, ПРИЛАДОБУДУВАННЯ
Рис. 1. Электроакустический преобразователь
ЗП-19:
1 – биморфный элемент; 2 – пьезоэлемент;
3 – металлическая пластина;
4 – корпус (полистирол); 5 – отверстие
Биморфный элемент 1 и корпус 4 с отверстием 5 создают так называемый резонатор Гельмгольца (РГ) с внутренним объемом
цилиндрической формы [6, 7].
Собственная частота резонатора Гельмгольца равна [6]:
fr =
c0 S
,
2p VL
(1)
где f r – частота, Гц;
c0 – скорость звука в воздухе (~340 м/с);
S – сечение отверстия, м2;
L – длина отверстия, м;
V – объем резонатора, м3.
Например, для сосуда объемом 1 л с
горловиной длиной 1 см и сечением 1 см2 частота резонатора составит примерно 170 Гц.
Следует отметить, что длина волны для
этой частоты составит около 2 м, что значительно больше размеров резонатора. Следовательно, это не стоячая акустическая волна в
самом резонаторе.
Действительно, в полости можно возбудить только волны, длина которых меньше
характерного размера резонатора [6]:
l £ 3V
.
(2)
Для данного примера это частоты выше
3 кГц. Отсюда следует, что принцип действия
резонатора Гельмгольца и физика процессов в
нем не вполне изучены.
Оставляя выяснение этого вопроса на
будущее, изучим в данной работе влияние
элементов конструкции на характеристики
ПЭАП, что и является целью данной работы.
Для оценки свойств ПЭАП используем
амплитудно-частотную характеристику (АЧХ)
как одну из наиболее информативных характеристик колебательных систем.
ISSN 2306-4412. Вісник ЧДТУ, 2013, № 3
Изучение начнем с биморфного элемента ЗП-19, для чего извлечем его из корпуса
преобразователя. Измерим АЧХ биморфного
элемента по звуковому давлению для трех
случаев: свободное расположение БПЭ на поверхности лабораторного стола (на слое ваты
толщиной 1 см) (рис. 2, а); закрепление его по
образующей в кольце из полистирола с наружным диаметром 36 мм, внутренним –
28 мм и высотой 8 мм (рис. 2, б) и на стержне
диаметром 3 мм (рис. 2, в). Измерения звукового давления проводились с помощью шумомера RFT00 024 при одинаковых условиях
(напряжение генератора, расстояние до преобразователя).
а)
б)
в)
Рис. 2. Варианты закрепления
биморфного элемента:
а) свободное расположение БПЭ;
б) закрепление по образующей;
в) закрепление по центру БПЭ
АЧХ преобразователей, изображенных
на рис. 2, показаны на рис. 3.
Рис. 3. АЧХ биморфного элемента:
1 – свободное расположение БПЭ; 2 – закрепление
по образующей; 3 – закрепление по центру БПЭ
67
КОМП’ЮТЕРНІ МЕРЕЖІ І КОМПОНЕНТИ, ПРИЛАДОБУДУВАННЯ
Из рис. 3 видно, что самая низкая резонансная частота в данном случае может быть
получена при закреплении БПЭ по образующей.
Далее закрепим биморфный элемент в
корпусе ЗП-19 (рис. 1).
По существу, этот преобразователь (ЗП19) представляет собой двухконтурную колебательную систему, состоящую из электромеханической колебательной системы (БПЭ) и
акустической (механической) колебательной
системы – резонатора Гельмгольца.
Эквивалентная электрическая схема преобразователя ЗП-19 изображена на рис. 4 [2].
Cэ1
L1
C1
L2
R1
R2
C2
C2
Для симметрии в конструкцию преобразователя авторами предложено ввести с помощью крышки 6 дополнительный замкнутый
объем со стороны, противоположной резонатору Гельмгольца (рис. 6).
Рис. 6. Преобразователь с симметричной
нагрузкой:
1 – БПЭ; 2 – металлическая пластина;
3 – пьезоэлемент; 4 – корпус; 5 – отверстие;
6 – крышка
На рис. 7 показаны АЧХ преобразователя с симметричной нагрузкой (кривая 1) и
преобразователя с несимметричной нагрузкой
(кривая 2).
Рис. 4. Эквивалентная электрическая схема
преобразователя ЗП-19:
Сэ1 – емкость между электродами пьезоэлемента;
L1, C1, R1 – динамические параметры БПЭ;
L2, C2, R2 – эквивалентные параметры резонатора
Гельмгольца
На рис. 5 показана АЧХ этого преобразователя. Как видно из рис. 5, уровень звукового давления БПЭ с резонатором Гельмгольца (кривая 1) значительно выше, чем у БПЭ,
закрепленного по образующей (кривая 2).
Рис. 7. АЧХ преобразователя с симметричной
нагрузкой (кривая 1) и несимметричной
нагрузкой (кривая 2)
Как видно из рис. 7, симметрирование
нагрузки преобразователя позволяет увеличить уровень звукового давления.
Для увеличения уровня звукового давления авторами предложено также ввести в
конструкцию преобразователя еще один резонатор Гельмгольца, т.е. еще одну колебательную систему (рис. 8).
Рис. 5. АЧХ преобразователя с резонатором
Гельмгольца (кривая 1) и АЧХ биморфного
элемента, закрепленного по образующей
(кривая 2)
Биморфный элемент в преобразователе,
изображенном на рис. 1, нагружен несимметрично – с одной стороны, это резонатор
Гельмгольца, а с другой, – объем помещения,
в котором установлен преобразователь.
68
Рис. 8. Преобразователь с бинарным
резонатором Гельмгольца:
1 – БПЭ; 2 – металлическая пластина;
3 – пьезоэлемент; 4 – корпус с отверстием 5;
6 – крышка с отверстием 7
ISSN 2306-4412. Вісник ЧДТУ, 2013, № 3
КОМП’ЮТЕРНІ МЕРЕЖІ І КОМПОНЕНТИ, ПРИЛАДОБУДУВАННЯ
Колебательная система из двух резонаторов Гельмгольца названа авторами бинарным
резонатором Гельмгольца, в отличие от резонатора Гельмгольца с одним объемом, но двумя
отверстиями, который назван двойным [6].
Применение бинарного резонатора позволило
увеличить уровень звукового давления (рис. 9).
Выводы:
1. Изучено влияние методов закрепления
БПЭ на амплитудно-частотные характеристики.
2. Для улучшения характеристик пьезоэлектрических электроакустических преобразователей могут использоваться дополнительные механические колебательные контуры, в
частности резонаторы Гельмгольца.
3. Дальнейшие исследования могут
быть направлены на построение математических моделей для различных конструктивных
схем пьезоэлектрических преобразователей.
Список литературы
Рис. 9. АЧХ преобразователя с бинарным
резонатором Гельмгольца (кривая 1) и одним
(кривая 2)
Симметрирование нагрузки преобразователя с бинарным резонатором Гельмгольца
(рис. 10, а) приводит к дальнейшему увеличению звукового давления (рис. 10, б).
а)
1. Sharapov, V. (2011) Piezoceramic sensors.
Heidelberg, Dordrecht, London, New York:
Springer Verlag, 498 p.
2. Шарапов В. М. Пьезоэлектрические датчики
/ Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. – М. : Техносфера, 2006. – 632 с.
3. Sharapov, V., Sotula, Zh. and Kunitskaya, L.
(2013) Piezoelectric electroacoustic transducers. Heidelberg, Dordrecht, London, New
York: Springer Verlag, 240 p.
4. Электроакустические преобразователи /
В. М. Шарапов, И. Г. Минаев, Ж. В. Сотула, Л. Г. Куницкая. – М. : Техносфера,
2013. – 280 с.
5. http://www.avrora-elma.ru
6. http://www.bluesmobil.com
7. Акустика / А. П. Ефимов, А. В. Никонов,
М. А. Сапожников, В. И. Шоров.– М. : Радио и связь. – 151 с.
References
б)
Рис. 10. Конструкция преобразователя
с бинарным резонатором Гельмгольца
и симметричной нагрузкой (а):
1 – БПЭ; 2 – металлическая пластина;
3 – пьезоэлемент; 4 – корпус с отверстием 5;
6 – крышка с отверстием 7; 8 – крышка
и его АЧХ (б):
1 – преобразователь с бинарным резонатором
Гельмгольца и несимметричной нагрузкой;
2 – преобразователь с бинарным резонатором
Гельмгольца и симметричной нагрузкой
В заключение следует отметить, что использование резонаторов Гельмгольца как
элементов конструкции позволяет расширить
возможности проектирования электроакустических преобразователей.
ISSN 2306-4412. Вісник ЧДТУ, 2013, № 3
1. Sharapov, V. (2011) Piezoceramic sensors.
Heidelberg, Dordrecht, London, New York:
Springer Verlag, 498 p.
2. Sharapov, V. M., Musienko, M. P., Sharapova E. V. (2006) Piezoelektricheskie datchiki.
Moskva: Tehnosfera, 632 s. [in Russian]
3. Sharapov, V., Sotula, Zh., Kunitskaya, L.
(2013) Piezoelectric electroacoustic transducers. Heidelberg, Dordrecht, London, New
York: Springer Verlag, 240 p.
4. Sharapov, V. M., Minaev, I. G., Sotula, Zh. V.
and Kunitskaya, L. G. (2013) Electroakusticheskie preobrazovateli. Moskva: Tehnosfera, 280 s. [in Russian]
5. http://www.avrora-elma.ru
6. http://www.bluesmobil.com
7. Yefimov, A. P., Nikonov, A. V., Sapozhkov, M. A. and Shorov, V. I. (1989) Akustika.
Moskva: Radio i svyaz', 151 s. [in Russian]
69