Содержание
Содержание
Предисловие
Глава 1. Общие сведения об электроакустических
преобразователях
1.1.
Термины и определения. Классификация ЭАП
1.2.
Основные характеристики ПЭАП
1.3.
Материалы для ПЭАП
Литература к главе 1
Глава 2. Пьезоэлементы для ПЭАП
2.1.
Колебания пьезокерамического диска,
поляризованного по толщине
2.2.
Вынужденные колебания радиально
поляризованного цилиндра
2.3.
Пьезоэлектрические резонаторы
2.4.
Пьезокерамические трансформаторы
2.5.
Биморфные и триморфные пьезоэлементы
Литература к главе 2
Глава 3. Электроакустические преобразователи
3.1.
Общие сведения
3.2.
Фигуры Хладни и диаграммы направленности
преобразователей
3.3.
Электроакустические преобразователи
в схемах автогенераторов
Литература к главе 3
Глава 4. Гидроакустические преобразователи
4.1.
Классификация и характеристики
преобразователей
4.2.
Соотношения электромеханического
преобразования
4.3.
Цилиндрические пьезокерамические
преобразователи
4.4.
Пластинчатые и сферические
пьезокерамические преобразователи
4.5.
Основные требования, предъявляемые
к проектируемым преобразователям
4.6.
Выбор способа преобразования энергии
и формы колебаний
4.7.
Некоторые конструкции преобразователей
Литература к главе 4
Глава 5. Преобразователи для неразрушающего контроля
5.1.
Классификация методов неразрушающего контроля
5.2.
Акустические методы неразрушающего контроля
5.3.
Пьезоэлектрические преобразователи
для неразрушающего контроля
Литература к главе 5
Глава 6. Технологии синтеза ПАЭП
6.1.
Пространственная энергосиловая
структура пьезоэлемента
6.2.
Пространственное расположение и коммутация электродов пьезоэлемента
6.3.
Пространственная электромеханическая
обратная связь
6.4.
Включение пьезоэлементов в схемы
электрических фильтров
6.5.
Технология добавочных элементов
6.6.
Технология синтеза преобразователей,
учитывающая электрические сигналы
6.7.
Комбинированные технологии
Литература к главе 6
Глава 7. Методы создания низкочастотных колебаний
7.1.
Метод биений
7.2.
Пьезоэлектрические сумматоры
7.3.
Создание НЧ акустических колебаний с помощью
амплитудных модуляторов
7.4.
Метод дополнительного колебательного контура
7.5.
Создание НЧ акустических колебаний с помощью
мономорфных пьезоэлементов
7.6.
Создание НЧ колебаний с помощью биморфных
и триморфных элементов
7.7.
Применение в электроакустических
преобразователях объемных резонаторов
Литература к главе 7
Глава 8. Методы увеличения звукового давления
8.1.
Метод добавочного колебательного контура
8.2.
Внутреннее трение в пьезокерамических элементах
электроакустических преобразователей
8.3.
Пьезоэлектрические излучатели звука
на основе биморфных и триморфных элементов
Литература к главе 8
Глава 9. Методы расширения полосы пропускания ПЭАП
9.1.
Снижение добротности преобразователя
9.2.
Связанные контура
9.3.
Объемные резонаторы
Литература к главе 9
Глава 10. Преобразователи с пьезоэлементами в схемах электрических фильтров
10.1.
Cхемы электрических фильтров
10.2.
Датчики с пьезоэлементами в схемах фильтров
нижних частот
10.3.
Датчики с пьезоэлементами в схемах фильтров
верхних частот
10.4.
Датчики с пьезотрансформаторами в схемах
электрических фильтров
Литература к главе 10
Глава 11. Устройства для контроля и диагностики биморфных пьезоэлементов
11.1.
Дефекты биморфных пьезоэлементов
11.2.
Диагностика дефектов
по амплитудно-частотной характеристике
11.3.
Диагностика дефектов по импульсной
характеристике
11.4.
Диагностика дефектов по переходной
характеристике
11.5.
Устройства на основе схемы автогенератора
Литература к главе 11
Приложение 1. Список публикаций
Приложение 2. Список патентов
Сведения об авторах
Предисловие
Настоящая книга написана В. М. Шараповым, И. Г. Минаевым, Ж. В. Сотулой, Л. Г. Куницкой.
В книге изложены теоретические основы, принципы действия, описаны конструкции и характеристики, методы снижения рабочей частоты, повышения уровня звукового давления, расширения полосы частот электроакустических преобразователей. В конце каждой главы приведена обширная библиография.
Книга предназначена для научных работников, студентов, аспирантов, специалистов в области разработки электроакустических преобразователей, измерительных устройств, элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.
Авторы благодарны рецензенту д.т.н., профессору Кошевому Н. Д. за полезные замечания, высказанные при обсуждении книги.
Авторы благодарны также Генеральному директору РИЦ «Техносфера» Казанцевой Ольге Андреевне и выпускающему редактору Артемовой Светлане Юрьевне за квалифицированное рассмотрение рукописи, доброжелательную поддержку авторов и терпение при работе с ними.
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
1.1. Термины и определения.
Классификация ЭАП
Электроакустические преобразователи (ЭАП) – это устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний среды) и обратно [2, 3, 5-9]. В зависимости от направления преобразования различают собственно ЭАП (излучатели) и приемники звука (датчики, сенсоры) (рис. 1.1).
Электроакустические преобразователи широко используют для излучения и приема звука в технике связи и звуковоспроизведении, для излучения и приема упругих колебаний в ультразвуковой технике (неразрушающий контроль), в гидроакустике (гидролокация, подводная связь, звуковое «подсвечивание» подводной обстановки и др.), в акустоэлектронике (датчики физических величин, электрические фильтры и т. д.), в медицине (ультразвуковая интроскопия), в системах безопасности, охранных устройствах и т. д. (рис. 1.2).
В большинстве ЭАП имеет место двойное преобразование энергии: электромеханическое, в результате которого часть подводимой к преобразователю электрической энергии переходит в энергию колебаний
( )
Рис. 1.1. Классификация преобразователей по выполняемой функции
1.1. Термины и определения. Классификация ЭАП
9
некоторой механической системы, и механоакустическое, при котором за счет колебаний механической системы в среде создается звуковое поле (рис. 1.3).
Наиболее распространенные ЭАП линейны, т. е. удовлетворяют требованию неискаженной передачи сигнала, и обратимы, т. е. могут работать и как излучатель, и как приемник, и подчиняются принципу взаимности.
Существуют, однако, ЭАП, не имеющие механической колебательной системы и создающие колебания непосредственно в среде, например, электроискровой излучатель, возбуждающий интенсивные звуковые колебания в результате электрического разряда в жидкости, излучатель, действие которого основано на электрострикции
Рис. 1.2. Применение электроакустических преобразователей
Рис. 1.3. Преобразование энергии в ЭАП
Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
10
жидкостей. Эти излучатели необратимы и применяются редко. К особому классу ЭАП относятся приемники звука (также необратимые), основанные на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента под влиянием звукового давления, например угольный микрофон или полупроводниковые приемники, в которых используется т. н. тензорезистивный эффект – зависимость сопротивления полупроводников от механических напряжений.
По виду физического эффекта, лежащего в их основе (принципу действия), обратимые ЭАП могут быть разбиты на следующие группы: электродинамические преобразователи, действие которых основано на электродинамическом эффекте (излучатели) и электромагнитной индукции (приемники), например громкоговорители, микрофоны; электростатические, действие которых основано на изменении силы притяжения обкладок при изменении напряжения и на изменении заряда или напряжения при относительном перемещении обкладок конденсатора (громкоговорители, микрофоны); пьезоэлектрические преобразователи, основанные па прямом и обратном пьезоэффекте; электромагнитные
Рис. 1.4. Классификация ЭАП по принципу действия (физическому эффекту)
1.2. Основные характеристики ПЭАП 11
преобразователи, основанные на колебаниях ферромагнитного якоря в переменном магнитном поле и изменении магнитного потока при движении якоря; магнитострикционные преобразователи, использующие прямой и обратный эффект магнитострикции (рис. 1.4).
По среде, в которой работают ЭАП, их можно разделить на ЭАП для работы в воздухе (гл. 3), в воде (гидроакустические преобразователи, гл. 4) и для создания акустических колебаний в твердых телах (преобразователи для неразрушающего контроля, гл. 5). В отдельную группу можно выделить преобразователи, используемые в медицине для ультразвуковой интроскопии (УЗИ), которые в данной книге не рассматриваются.
Данная книга посвящена пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям (ПЭАП), работающим на излучение и прием в воздухе и воде.
1.2. Основные характеристики ПЭАП
Преобразователи-излучатели оценивают следующими качественными показателями работы [5].
Акустическая мощность Ра – количество звуковой энергии, излучаемой преобразователем в единицу времени. Величину Ра, отнесенную к единице площади излучающей поверхности, называют удельной акустической мощностью Ра.уд.
Рис. 1.5. Классификация ЭАП по среде, в которой они работают
12 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
Электроакустический КПД ηэа – отношение излучаемой акустической мощности к активной электрической мощности Рэ, потребляемой преобразователем от генератора возбуждения.
Входное электрическое сопротивление Z – отношение приложенного напряжения Uк силе тока I в цепи излучателя.
Характеристика направленности оценивает пространственное распределение поля и представляет собой отношение создаваемого излучателем звукового давления в дальнем поле к максимальному значению в зависимости от угловых координат точки наблюдения.
Коэффициент осевой концентрации Ка определяют отношением интенсивности звука, создаваемой излучателем по направлению главного максимума в точке дальнего поля, к интенсивности ненаправленного излучателя с такой же излучаемой мощностью на том же расстоянии.
Преобразователи-приемники характеризуют следующими показателями работы.
Чувствительность М определяет напряжение холостого хода на выходе преобразователя, отнесенное к воздействующему на него в неискаженном свободном поле плоской волны звуковому давлению.
Электрическое сопротивление Z устанавливает соотношение между напряжением, развиваемым на выходе приемника, и силой тока в его цепи.
Характеристика направленности – это нормированное по отношению к максимуму угловое распределение чувствительности приемника.
Коэффициент концентрации К0 – отношение квадрата чувствительности в максимальном направлении к среднему квадрату чувствительности во всех направлениях. Для обратимых преобразователей коэффициенты концентрации в режимах излучения и приема численно равны.
Эффективность приемника также оценивают удельной чувствительностью Муд=М/Zi(здесь М – чувствительность холостого хода; Zi – модуль внутреннего (выходного) сопротивления
1.3. Материалы для ПЭАП 13
приемника), характеризующей его помехоустойчивость к шумам электрических цепей.
Все перечисленные параметры преобразователей зависят от частоты.
1.3. Материалы для ПЭАП
Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Сущность прямого пьезоэлектрического эффекта заключается в электрической поляризации определенного класса диэлектриков, называемых пьезоэлектриками (сегнетоэлектриками, ферроэлектриками), при механическом напряжении в их материале. Обратный пьезоэлектрический эффект характеризуется тем, что электрическая поляризация вызывает механическое напряжение в пьезоматериале или изменение геометрических размеров пьезоэлементов.
По другому можно сказать, что прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании электрических зарядов в пьезоэлектрическом материале при приложении к нему механической силы, а обратный пьезоэффект – в возникновении колебаний при подключении пьезоэлемента к источнику электрического напряжения.
Особенностью пьезоэлектрического эффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при переходе от сжатия кристалла к растяжению и изменение знака деформации при изменении направления поляризующего поля.
Следует различать явление пьезоэлектричества и близкое к нему явление электрострикции. Сущность последнего заключается также в поляризации диэлектрика под действием приложенной внешней силы, однако при электрострикции поляризация пропорциональна квадрату приложенного механического напряжения и не изменяет знак при изменении знака приложенной силы. Электрострикция проявляется обычно значительно меньше, чем
пьезоэлектричество, при наличии которого электрострикцией можно пренебречь [1, 7, 8].
Родственным этим физическим эффектам является пироэлектричество, сущность которого заключается в поляризации вследствие нагрева. При конструировании и использовании пьезоэлектриков с явлением пироэлектричества нельзя не считаться. Для некоторых современных пьезоэлектрических керамик, например, цирконат-титаната свинца, поляризация в результате изменения температуры может быть источником значительных погрешностей.
Анизотропия характеристик пьезокерамических материалов
Многие свойства кристаллических веществ являются векторными или тензорными и различны в разных кристаллографических направлениях. Таковы, например, коэффициент линейного термического расширения, диффузия, теплопроводность, модуль упругости, удельное электрическое сопротивление, величина показателей преломления или диэлектрической проницаемости. Характер анизотропии этих свойств связан с симметрией кристаллической решетки [8, 10].
Поликристаллическая керамика, состоящая из множества мелких беспорядочно ориентированных друг относительно друга кристаллических зерен, в целом должна была бы быть изотропной. Анизотропия свойств может проявиться у текстурированной керамики, в которой имеется некоторая предпочтительная ориентация зерен кристаллической фазы. Анизотропной является также сегнетоэлектрическая керамика из титаната бария, цирконата титаната свинца (ЦТС) и других подобных веществ, предварительно поляризованная нагреванием в электрическом поле.
Для примера, рассмотрим часто используемый в практике пьезокерамический материал – титанат бария.
Рис. 1.6. Структура титаната бария
1.3. Материалы для ПЭАП 15
Кристаллической структурой титаната бария является структура перовскита, показанная на рис. 1.6. Структура является кубической, с ионами Ва++ в углах куба, ионами О2 – в центрах граней и ионом Тi++++ в центре куба. Особенно важное значение имеет тот факт, что ион титана окружен шестью ионами кислорода, образующими октаэдр [1, 7, 8].
Выше температуры Кюри октаэдр ТiO6 имеет центр симметрии, так что дипольный момент равен нулю. Октаэдр будет обладать дипольным моментом только тогда, когда положительный ион титана сместится относительно одного из отрицательных ионов кислорода.
Существование сегнетоэлектричества в ВаТiO3 является следствием поляризационной «катастрофы», при которой электрическое поле, образующееся при поляризации, возрастает гораздо быстрее, чем упругие восстанавливающие силы между ионами.
Кластерные соединения, включающие центральный атом металла и лиганды (металлические или ковалентно связанные группы атомов) всегда характеризуются вырождением основного электронного состояния или близко лежащих возбужденных состояний.
Задача движения ядер при наличии электронного вырождения решается с помощью теоремы Яна-Теллера [1]. Чаще всего в керамиках с низкой симметрией реализуется псевдоэффект Яна-Теллера. При этом надо решать сложную систему вибронных уравнений, что требует знания адиабатических потенциалов [7, 8].
В сегнетоэлектриках со структурой перовскита содержится большое число ян-теллеровских центров, а именно – кластеров, включающих атомы переходных металлов типа Ti, Zr и т. д. Для наших целей важно то, что эти центры находятся в электронно-вырожденном (точнее – псевдовырожденном) состоянии.
Эти сегнетоэлектрики обладают кристаллической решеткой высокой симметрии. Такие симметричные структуры не имеют дипольных моментов, однако в процессе сегнетоэлектрического фазового перехода возникают диполи и наводится сильная электрическая поляризация всего кристалла (сегнетоэлектрика), либо отдельных доменов (керамика).
Поскольку в кристалле сегнетоэлектрика со структурой перовскита кластеры координированных атомов титана сильно связаны между собой общими атомами кислорода, то можно рассмотреть кооперативный псевдоэффект Яна-Теллера. Вводя дополнительный вибронный параметр связи между кластерами за счет фононов, можно объяснить структурный фазовый переход в макро-поляризованное состояние кристалла. Это может быть достигнуто выбором определенной температуры (сегнетоэлектричество) за счет возбуждения нужных фононов, либо за счет приложения внешнего электрического поля (поляризация керамики), где группа ян-теллеровских кластеров, связанная между собой вибронной связью, образует домен. Выстраивание поляризованных доменов дает известный эффект.
Знание природы поляризации в домене позволяет понять резко анизотропный механизм проводимости в керамике.
Прикладывая напряжение, как показано на рис. 1.7, мы поляризуем и выстраиваем домены.
Среда между доменами – это тоже кристаллический твердый раствор, атомы которого связаны фононной связью другого типа, нежели в домене. В этой среде нет вибронной корреляции ян-теллеровских центров. Однако и через эту среду может идти проводимость за счет наличия электрического поля поляризованных доменов.
Электроны инжектируются в среду с электрода подложки и переносятся с одного кластера на другой по типу полупроводниковой проводимости, усиленной полем доменов. Перенос электронов по цепочке атомов кристаллической решетки на кластеры доменов идет легко. Но дальнейшее его продвижение внутри домена казалось должно было быть заторможено за счет поляризации в домене.
+ – + – + – + – + – + – + – + – + – - +
Рис. 1.7. Доменная структура пьезокерамики
1.3. Материалы для ПЭАП 17
Однако проблема разрешается, как только мы учтем характер химических и физических взаимодействий, которые привели к созданию сегнетоэлектричества внутри домена. Ведь смещения атомов, вызвавшее дипольную неустойчивость, связаны с вибронным смешиванием основного и возбужденного состояний внутри кластеров. Это физически равноценно смешиванию валентной зоны и зоны проводимости внутри всего домена.
Делокализованный характер химических связей внутри каждого кластера и отсутствие характеристических колебаний по химическим связям, вибронная активность «размазанных» колебаний внутри и между кластерами в домене обеспечивают свободную миграцию электрона внутри кластера.
Таким образом, мы видим, что перенос электрона вдоль направления оси Х, отмеченного стрелкой на рис. 1.7, должен осуществляться гораздо легче, нежели в перпендикулярном направлении в случае приложения напряжения к боковым граням пьезоэлемента.
Из пьезоэлектрических материалов изготовляют пьезоэлементы, являющиеся чувствительными элементами датчиков.
В качестве пьезоэлектрических материалов используются:
——
монокристаллические материалы (кварц, ниобат лития, сегнетова соль и др.);
——
поликристаллические материалы (пьезокерамика).
Достоинством кварца является стойкость к воздействиям температуры и влажности, механическая прочность. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль практически не зависит от температуры до 200 °С, а в диапазоне 200…500 °С изменяется незначительно, удельное электрическое сопротивление – порядка 1016 Ом/м, однако оно сильно зависит от температуры и имеет неодинаковое значение в направлении различных осей. Значения пьезомодулей кварца dij1012КлH следующие: d21=−d11=2,31;d25=−d14=0,67;d26=4,62, остальные пьезомодули равны нулю.
18 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
В настоящее время для изготовления датчиков наиболее широко применяются пьезокерамические материалы. Пьезокерамика синтезирована впервые в СССР в 1944 г. [3, 8].
Пьезоэлектрические керамические материалы (ПКМ) представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твердые растворы, полученные синтезированием из смеси различных оксидов и солей (табл. 1.1) [4].
Основу большинства современных ПКМ составляют твердые растворы титаната-цирконата свинца (ЦTC, PZT), модифицированные различными компонентами и добавками.
Выпускаются также ПКМ на основе титаната бария (ТБ), титаната свинца (ТС), ниобата свинца (НС), титаната висмута (ТВ) и др. Основными свойствами ПКМ, выявляемыми на стандартных керамических образцах, являются:
——
высокие значения диэлектрической проницаемости;
——
наличие спонтанной поляризации отдельных областей (доменов);
——
наличие петель гистерезиса на зависимостях: поляризация-электрическое поле, деформация-электрическое поле;
——
рост диэлектрической проницаемости с повышением температуры;
——
наличие особой точки (температура Кюри) на кривой зависимости диэлектрическая проницаемость-температура, выше которой сегнетоэлектрические свойства не проявляются;
——
возникновение остаточной поляризации и двойного электрического слоя на поверхности спеченных образцов после воздействия постоянного электрического поля, обуславливающее возможность проявления телом пьезоэлектрического эффекта (преобразования механической энергии в электрическую и/или наоборот).
В зависимости от основного назначения, ПКМ подразделяются следующим образом.
1.
«Сегнетомягкие» ПКМ. Применяются для изготовления высокочувствительных преобразователей, работающих без жестких
1.3. Материалы для ПЭАП 19
требований по стабильности параметров к воздействию дестабилизирующих факторов (повышенных температур, электрических и механических полей).
ПКМ общего назначения. К ним относятся материалы ЦТС-19 и ЦТС-19(цт). ЦТС-19(цт) является модификацией ЦТС-19 с повышенными (рекордными для данного материала) значениями пьезоэлектрических модулей (dik). Это повышение достигнуто за счет замены сырьевых компонентов оксида циркония и оксида титана на специально разработанное высокоактивное сырье – титанат циркония (цт).
ПКМ специального назначения с пониженной диэлектрической проницаемостью и высокой чувствительностью в режиме приема. К ним относится материал ЦТС-36, выпускаемый обычно в виде горячепрессованных блоков и предназначенный, главным образом, для изготовления преобразователей ультразвуковых линий задержки.
ПКМ специального назначения с повышенными значениями диэлектрической проницаемости и пьезомодулей. К ним относится материал НЦТС-2. Эти материалы предназначены для использования в телефонных устройствах с повышенной чувствительностью.
2.
«Сегнетожесткие» ПКМ. Применяются для изготовления преобразователей, работающих в режиме приема и (или) излучения в условиях воздействия сильных электрических полей и (или) механических напряжений. К ним относятся материалы ЦТС-23, ЦТССт-3 (цт) и ЦТБС-7. Материалы ЦТС-23 и ЦТССт-3 (цт) хорошо зарекомендовали себя при использовании в пьезоэлементах систем зажигания и гидроакустики. ЦТССт-3 (цт) и ЦТБС-7 можно рекомендовать для изготовления пьезотрансформаторов и ультразвуковых излучателей повышенной мощности.
3.
ПКМ для частотно-селективных устройств. Применяются для изготовления пьезоэлементов (обладающих повышенной температурной и временной стабильностью частотных характеристик)
20 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
Таблица 1.1. Параметры пьезокерамических материалов
Материал
Коэф. электромеханической связи, Kp
Относит. диэлектр. проницаем., eT33/e0
Плотность, r, 103 кг/м3
Пьезомодули,
10-12 Кл/Н
Чувствительность
в режиме приема,
10-3 В⋅м/Н
Относител. отклон. частоты в интервале температур
-60 ... +85 °С, dfQ / fr, %
Тангенс угла диэл. потерь, tgd, 10-2
Водопоглощение, W, %, не более
Модуль Юнга, Y1Е, 10-11 н/м2
Электрич прочность, Eпр, 106 В/м
Температура точки Кюри, Тк, °С
Скорость звука, u1, 103 м/с
Механическая добротность, QM
частотно-селективных устройств на объемных и поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах планарной моды колебаний. Применяются в основном при создании фильтров на дискретных пьезоэлементах. К ним относятся материалы ЦТС-38, ЦТС-39 и ЦТС-40.
Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах моды колебаний сжатия-растяжения по толщине. Представителями этой подгруппы являются материалы ЦТС-35 и ЦТС-35У. ЦТС-35У выпускается в виде горячепрессованных блоков.
Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах моды колебаний сдвига по толщине. Представителем этой подгруппы является материал ЦТС-35. Материалы этих подгрупп используются при создании монолитных фильтров для частотно-модулированных сигналов на частоты до 10 МГц.
Материалы для частотно-селективных устройств на поверхностных акустических волнах. К этой подгруппе относится материал ЦТС-33, изготовляемый в виде горячепрессованных блоков. Он применяется при разработке фильтров на частоты до 40 МГц.
Высокотемпературные ПКМ. Высокотемпературные ПКМ используются для изготовления пьезоэлементов, работающих при температурах не менее 250 °С. В эту группу входят материалы ЦТС-21, ЦТС-26, ТНаВ-1 и ТНВ-1, обеспечивающие повышенные рабочие температуры пьезоэлементов (250-750 °С). Для повышения температурной стабильности пьезомодуля (d33) разработаны модификации материалов ЦТС-26 и ТНаВ-1, ЦТС-26М и THaB-lM.
Литература к главе 1
1. Берсукер И.В. Эффект Яна-Теллера и вибронные взаимодействия в современной химии. – М.: Наука, 1987. – 344 c.
22 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
2. Дидковский В.С., Лейко А.Г., Савин В.Г. Электроакустические пьезокерамические преобразователи. – Кировоград: Имекс ЛТД, 2006. – 448с. (на укр.).
3. Домаркас В.И., Кажис Р.-Й.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. «Лиентис», Вильнюс, 1975. – 258с.
4. Материалы пьезокерамические. Типы и марки. Технические требования. ГОСТ 13927-80, М., 1980.
5. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А Корепин и др. Л.: Судостроение, 1988, – 552с.
6. Ультразвук (маленькая энциклопедия) / Под ред. И.П. Голяминой. – М.: Сов. энциклопедия, 1979. – 400 с.
7. Sharapov V. Piezoceramic sensors. – Springer Verlag, 2011. – 498 p.
8. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. – М.: Техносфера, 2006. – 632с.
9. Шарапов В.М. Пьезокерамические трансформаторы и датчики/ В.М. Шарапов, И.Г. Минаев, Ж.В. Сотула, К.В. Базило, Л.Г. Куницкая. // Под ред. В.М. Шарапова. – Черкассы: Вертикаль, 2010.- 278с.
Настоящая книга написана В. М. Шараповым, И. Г. Минаевым, Ж. В. Сотулой, Л. Г. Куницкой.
В книге изложены теоретические основы, принципы действия, описаны конструкции и характеристики, методы снижения рабочей частоты, повышения уровня звукового давления, расширения полосы частот электроакустических преобразователей. В конце каждой главы приведена обширная библиография.
Книга предназначена для научных работников, студентов, аспирантов, специалистов в области разработки электроакустических преобразователей, измерительных устройств, элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.
Авторы благодарны рецензенту д.т.н., профессору Кошевому Н. Д. за полезные замечания, высказанные при обсуждении книги.
Авторы благодарны также Генеральному директору РИЦ «Техносфера» Казанцевой Ольге Андреевне и выпускающему редактору Артемовой Светлане Юрьевне за квалифицированное рассмотрение рукописи, доброжелательную поддержку авторов и терпение при работе с ними.
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
1.1. Термины и определения.
Классификация ЭАП
Электроакустические преобразователи (ЭАП) – это устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний среды) и обратно [2, 3, 5-9]. В зависимости от направления преобразования различают собственно ЭАП (излучатели) и приемники звука (датчики, сенсоры) (рис. 1.1).
Электроакустические преобразователи широко используют для излучения и приема звука в технике связи и звуковоспроизведении, для излучения и приема упругих колебаний в ультразвуковой технике (неразрушающий контроль), в гидроакустике (гидролокация, подводная связь, звуковое «подсвечивание» подводной обстановки и др.), в акустоэлектронике (датчики физических величин, электрические фильтры и т. д.), в медицине (ультразвуковая интроскопия), в системах безопасности, охранных устройствах и т. д. (рис. 1.2).
В большинстве ЭАП имеет место двойное преобразование энергии: электромеханическое, в результате которого часть подводимой к преобразователю электрической энергии переходит в энергию колебаний
( )
Рис. 1.1. Классификация преобразователей по выполняемой функции
1.1. Термины и определения. Классификация ЭАП
9
некоторой механической системы, и механоакустическое, при котором за счет колебаний механической системы в среде создается звуковое поле (рис. 1.3).
Наиболее распространенные ЭАП линейны, т. е. удовлетворяют требованию неискаженной передачи сигнала, и обратимы, т. е. могут работать и как излучатель, и как приемник, и подчиняются принципу взаимности.
Существуют, однако, ЭАП, не имеющие механической колебательной системы и создающие колебания непосредственно в среде, например, электроискровой излучатель, возбуждающий интенсивные звуковые колебания в результате электрического разряда в жидкости, излучатель, действие которого основано на электрострикции
Рис. 1.2. Применение электроакустических преобразователей
Рис. 1.3. Преобразование энергии в ЭАП
Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
10
жидкостей. Эти излучатели необратимы и применяются редко. К особому классу ЭАП относятся приемники звука (также необратимые), основанные на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента под влиянием звукового давления, например угольный микрофон или полупроводниковые приемники, в которых используется т. н. тензорезистивный эффект – зависимость сопротивления полупроводников от механических напряжений.
По виду физического эффекта, лежащего в их основе (принципу действия), обратимые ЭАП могут быть разбиты на следующие группы: электродинамические преобразователи, действие которых основано на электродинамическом эффекте (излучатели) и электромагнитной индукции (приемники), например громкоговорители, микрофоны; электростатические, действие которых основано на изменении силы притяжения обкладок при изменении напряжения и на изменении заряда или напряжения при относительном перемещении обкладок конденсатора (громкоговорители, микрофоны); пьезоэлектрические преобразователи, основанные па прямом и обратном пьезоэффекте; электромагнитные
Рис. 1.4. Классификация ЭАП по принципу действия (физическому эффекту)
1.2. Основные характеристики ПЭАП 11
преобразователи, основанные на колебаниях ферромагнитного якоря в переменном магнитном поле и изменении магнитного потока при движении якоря; магнитострикционные преобразователи, использующие прямой и обратный эффект магнитострикции (рис. 1.4).
По среде, в которой работают ЭАП, их можно разделить на ЭАП для работы в воздухе (гл. 3), в воде (гидроакустические преобразователи, гл. 4) и для создания акустических колебаний в твердых телах (преобразователи для неразрушающего контроля, гл. 5). В отдельную группу можно выделить преобразователи, используемые в медицине для ультразвуковой интроскопии (УЗИ), которые в данной книге не рассматриваются.
Данная книга посвящена пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям (ПЭАП), работающим на излучение и прием в воздухе и воде.
1.2. Основные характеристики ПЭАП
Преобразователи-излучатели оценивают следующими качественными показателями работы [5].
Акустическая мощность Ра – количество звуковой энергии, излучаемой преобразователем в единицу времени. Величину Ра, отнесенную к единице площади излучающей поверхности, называют удельной акустической мощностью Ра.уд.
Рис. 1.5. Классификация ЭАП по среде, в которой они работают
12 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
Электроакустический КПД ηэа – отношение излучаемой акустической мощности к активной электрической мощности Рэ, потребляемой преобразователем от генератора возбуждения.
Входное электрическое сопротивление Z – отношение приложенного напряжения Uк силе тока I в цепи излучателя.
Характеристика направленности оценивает пространственное распределение поля и представляет собой отношение создаваемого излучателем звукового давления в дальнем поле к максимальному значению в зависимости от угловых координат точки наблюдения.
Коэффициент осевой концентрации Ка определяют отношением интенсивности звука, создаваемой излучателем по направлению главного максимума в точке дальнего поля, к интенсивности ненаправленного излучателя с такой же излучаемой мощностью на том же расстоянии.
Преобразователи-приемники характеризуют следующими показателями работы.
Чувствительность М определяет напряжение холостого хода на выходе преобразователя, отнесенное к воздействующему на него в неискаженном свободном поле плоской волны звуковому давлению.
Электрическое сопротивление Z устанавливает соотношение между напряжением, развиваемым на выходе приемника, и силой тока в его цепи.
Характеристика направленности – это нормированное по отношению к максимуму угловое распределение чувствительности приемника.
Коэффициент концентрации К0 – отношение квадрата чувствительности в максимальном направлении к среднему квадрату чувствительности во всех направлениях. Для обратимых преобразователей коэффициенты концентрации в режимах излучения и приема численно равны.
Эффективность приемника также оценивают удельной чувствительностью Муд=М/Zi(здесь М – чувствительность холостого хода; Zi – модуль внутреннего (выходного) сопротивления
1.3. Материалы для ПЭАП 13
приемника), характеризующей его помехоустойчивость к шумам электрических цепей.
Все перечисленные параметры преобразователей зависят от частоты.
1.3. Материалы для ПЭАП
Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Сущность прямого пьезоэлектрического эффекта заключается в электрической поляризации определенного класса диэлектриков, называемых пьезоэлектриками (сегнетоэлектриками, ферроэлектриками), при механическом напряжении в их материале. Обратный пьезоэлектрический эффект характеризуется тем, что электрическая поляризация вызывает механическое напряжение в пьезоматериале или изменение геометрических размеров пьезоэлементов.
По другому можно сказать, что прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании электрических зарядов в пьезоэлектрическом материале при приложении к нему механической силы, а обратный пьезоэффект – в возникновении колебаний при подключении пьезоэлемента к источнику электрического напряжения.
Особенностью пьезоэлектрического эффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при переходе от сжатия кристалла к растяжению и изменение знака деформации при изменении направления поляризующего поля.
Следует различать явление пьезоэлектричества и близкое к нему явление электрострикции. Сущность последнего заключается также в поляризации диэлектрика под действием приложенной внешней силы, однако при электрострикции поляризация пропорциональна квадрату приложенного механического напряжения и не изменяет знак при изменении знака приложенной силы. Электрострикция проявляется обычно значительно меньше, чем
пьезоэлектричество, при наличии которого электрострикцией можно пренебречь [1, 7, 8].
Родственным этим физическим эффектам является пироэлектричество, сущность которого заключается в поляризации вследствие нагрева. При конструировании и использовании пьезоэлектриков с явлением пироэлектричества нельзя не считаться. Для некоторых современных пьезоэлектрических керамик, например, цирконат-титаната свинца, поляризация в результате изменения температуры может быть источником значительных погрешностей.
Анизотропия характеристик пьезокерамических материалов
Многие свойства кристаллических веществ являются векторными или тензорными и различны в разных кристаллографических направлениях. Таковы, например, коэффициент линейного термического расширения, диффузия, теплопроводность, модуль упругости, удельное электрическое сопротивление, величина показателей преломления или диэлектрической проницаемости. Характер анизотропии этих свойств связан с симметрией кристаллической решетки [8, 10].
Поликристаллическая керамика, состоящая из множества мелких беспорядочно ориентированных друг относительно друга кристаллических зерен, в целом должна была бы быть изотропной. Анизотропия свойств может проявиться у текстурированной керамики, в которой имеется некоторая предпочтительная ориентация зерен кристаллической фазы. Анизотропной является также сегнетоэлектрическая керамика из титаната бария, цирконата титаната свинца (ЦТС) и других подобных веществ, предварительно поляризованная нагреванием в электрическом поле.
Для примера, рассмотрим часто используемый в практике пьезокерамический материал – титанат бария.
Рис. 1.6. Структура титаната бария
1.3. Материалы для ПЭАП 15
Кристаллической структурой титаната бария является структура перовскита, показанная на рис. 1.6. Структура является кубической, с ионами Ва++ в углах куба, ионами О2 – в центрах граней и ионом Тi++++ в центре куба. Особенно важное значение имеет тот факт, что ион титана окружен шестью ионами кислорода, образующими октаэдр [1, 7, 8].
Выше температуры Кюри октаэдр ТiO6 имеет центр симметрии, так что дипольный момент равен нулю. Октаэдр будет обладать дипольным моментом только тогда, когда положительный ион титана сместится относительно одного из отрицательных ионов кислорода.
Существование сегнетоэлектричества в ВаТiO3 является следствием поляризационной «катастрофы», при которой электрическое поле, образующееся при поляризации, возрастает гораздо быстрее, чем упругие восстанавливающие силы между ионами.
Кластерные соединения, включающие центральный атом металла и лиганды (металлические или ковалентно связанные группы атомов) всегда характеризуются вырождением основного электронного состояния или близко лежащих возбужденных состояний.
Задача движения ядер при наличии электронного вырождения решается с помощью теоремы Яна-Теллера [1]. Чаще всего в керамиках с низкой симметрией реализуется псевдоэффект Яна-Теллера. При этом надо решать сложную систему вибронных уравнений, что требует знания адиабатических потенциалов [7, 8].
В сегнетоэлектриках со структурой перовскита содержится большое число ян-теллеровских центров, а именно – кластеров, включающих атомы переходных металлов типа Ti, Zr и т. д. Для наших целей важно то, что эти центры находятся в электронно-вырожденном (точнее – псевдовырожденном) состоянии.
Эти сегнетоэлектрики обладают кристаллической решеткой высокой симметрии. Такие симметричные структуры не имеют дипольных моментов, однако в процессе сегнетоэлектрического фазового перехода возникают диполи и наводится сильная электрическая поляризация всего кристалла (сегнетоэлектрика), либо отдельных доменов (керамика).
Поскольку в кристалле сегнетоэлектрика со структурой перовскита кластеры координированных атомов титана сильно связаны между собой общими атомами кислорода, то можно рассмотреть кооперативный псевдоэффект Яна-Теллера. Вводя дополнительный вибронный параметр связи между кластерами за счет фононов, можно объяснить структурный фазовый переход в макро-поляризованное состояние кристалла. Это может быть достигнуто выбором определенной температуры (сегнетоэлектричество) за счет возбуждения нужных фононов, либо за счет приложения внешнего электрического поля (поляризация керамики), где группа ян-теллеровских кластеров, связанная между собой вибронной связью, образует домен. Выстраивание поляризованных доменов дает известный эффект.
Знание природы поляризации в домене позволяет понять резко анизотропный механизм проводимости в керамике.
Прикладывая напряжение, как показано на рис. 1.7, мы поляризуем и выстраиваем домены.
Среда между доменами – это тоже кристаллический твердый раствор, атомы которого связаны фононной связью другого типа, нежели в домене. В этой среде нет вибронной корреляции ян-теллеровских центров. Однако и через эту среду может идти проводимость за счет наличия электрического поля поляризованных доменов.
Электроны инжектируются в среду с электрода подложки и переносятся с одного кластера на другой по типу полупроводниковой проводимости, усиленной полем доменов. Перенос электронов по цепочке атомов кристаллической решетки на кластеры доменов идет легко. Но дальнейшее его продвижение внутри домена казалось должно было быть заторможено за счет поляризации в домене.
+ – + – + – + – + – + – + – + – + – - +
Рис. 1.7. Доменная структура пьезокерамики
1.3. Материалы для ПЭАП 17
Однако проблема разрешается, как только мы учтем характер химических и физических взаимодействий, которые привели к созданию сегнетоэлектричества внутри домена. Ведь смещения атомов, вызвавшее дипольную неустойчивость, связаны с вибронным смешиванием основного и возбужденного состояний внутри кластеров. Это физически равноценно смешиванию валентной зоны и зоны проводимости внутри всего домена.
Делокализованный характер химических связей внутри каждого кластера и отсутствие характеристических колебаний по химическим связям, вибронная активность «размазанных» колебаний внутри и между кластерами в домене обеспечивают свободную миграцию электрона внутри кластера.
Таким образом, мы видим, что перенос электрона вдоль направления оси Х, отмеченного стрелкой на рис. 1.7, должен осуществляться гораздо легче, нежели в перпендикулярном направлении в случае приложения напряжения к боковым граням пьезоэлемента.
Из пьезоэлектрических материалов изготовляют пьезоэлементы, являющиеся чувствительными элементами датчиков.
В качестве пьезоэлектрических материалов используются:
——
монокристаллические материалы (кварц, ниобат лития, сегнетова соль и др.);
——
поликристаллические материалы (пьезокерамика).
Достоинством кварца является стойкость к воздействиям температуры и влажности, механическая прочность. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль практически не зависит от температуры до 200 °С, а в диапазоне 200…500 °С изменяется незначительно, удельное электрическое сопротивление – порядка 1016 Ом/м, однако оно сильно зависит от температуры и имеет неодинаковое значение в направлении различных осей. Значения пьезомодулей кварца dij1012КлH следующие: d21=−d11=2,31;d25=−d14=0,67;d26=4,62, остальные пьезомодули равны нулю.
18 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
В настоящее время для изготовления датчиков наиболее широко применяются пьезокерамические материалы. Пьезокерамика синтезирована впервые в СССР в 1944 г. [3, 8].
Пьезоэлектрические керамические материалы (ПКМ) представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твердые растворы, полученные синтезированием из смеси различных оксидов и солей (табл. 1.1) [4].
Основу большинства современных ПКМ составляют твердые растворы титаната-цирконата свинца (ЦTC, PZT), модифицированные различными компонентами и добавками.
Выпускаются также ПКМ на основе титаната бария (ТБ), титаната свинца (ТС), ниобата свинца (НС), титаната висмута (ТВ) и др. Основными свойствами ПКМ, выявляемыми на стандартных керамических образцах, являются:
——
высокие значения диэлектрической проницаемости;
——
наличие спонтанной поляризации отдельных областей (доменов);
——
наличие петель гистерезиса на зависимостях: поляризация-электрическое поле, деформация-электрическое поле;
——
рост диэлектрической проницаемости с повышением температуры;
——
наличие особой точки (температура Кюри) на кривой зависимости диэлектрическая проницаемость-температура, выше которой сегнетоэлектрические свойства не проявляются;
——
возникновение остаточной поляризации и двойного электрического слоя на поверхности спеченных образцов после воздействия постоянного электрического поля, обуславливающее возможность проявления телом пьезоэлектрического эффекта (преобразования механической энергии в электрическую и/или наоборот).
В зависимости от основного назначения, ПКМ подразделяются следующим образом.
1.
«Сегнетомягкие» ПКМ. Применяются для изготовления высокочувствительных преобразователей, работающих без жестких
1.3. Материалы для ПЭАП 19
требований по стабильности параметров к воздействию дестабилизирующих факторов (повышенных температур, электрических и механических полей).
ПКМ общего назначения. К ним относятся материалы ЦТС-19 и ЦТС-19(цт). ЦТС-19(цт) является модификацией ЦТС-19 с повышенными (рекордными для данного материала) значениями пьезоэлектрических модулей (dik). Это повышение достигнуто за счет замены сырьевых компонентов оксида циркония и оксида титана на специально разработанное высокоактивное сырье – титанат циркония (цт).
ПКМ специального назначения с пониженной диэлектрической проницаемостью и высокой чувствительностью в режиме приема. К ним относится материал ЦТС-36, выпускаемый обычно в виде горячепрессованных блоков и предназначенный, главным образом, для изготовления преобразователей ультразвуковых линий задержки.
ПКМ специального назначения с повышенными значениями диэлектрической проницаемости и пьезомодулей. К ним относится материал НЦТС-2. Эти материалы предназначены для использования в телефонных устройствах с повышенной чувствительностью.
2.
«Сегнетожесткие» ПКМ. Применяются для изготовления преобразователей, работающих в режиме приема и (или) излучения в условиях воздействия сильных электрических полей и (или) механических напряжений. К ним относятся материалы ЦТС-23, ЦТССт-3 (цт) и ЦТБС-7. Материалы ЦТС-23 и ЦТССт-3 (цт) хорошо зарекомендовали себя при использовании в пьезоэлементах систем зажигания и гидроакустики. ЦТССт-3 (цт) и ЦТБС-7 можно рекомендовать для изготовления пьезотрансформаторов и ультразвуковых излучателей повышенной мощности.
3.
ПКМ для частотно-селективных устройств. Применяются для изготовления пьезоэлементов (обладающих повышенной температурной и временной стабильностью частотных характеристик)
20 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
Таблица 1.1. Параметры пьезокерамических материалов
Материал
Коэф. электромеханической связи, Kp
Относит. диэлектр. проницаем., eT33/e0
Плотность, r, 103 кг/м3
Пьезомодули,
10-12 Кл/Н
Чувствительность
в режиме приема,
10-3 В⋅м/Н
Относител. отклон. частоты в интервале температур
-60 ... +85 °С, dfQ / fr, %
Тангенс угла диэл. потерь, tgd, 10-2
Водопоглощение, W, %, не более
Модуль Юнга, Y1Е, 10-11 н/м2
Электрич прочность, Eпр, 106 В/м
Температура точки Кюри, Тк, °С
Скорость звука, u1, 103 м/с
Механическая добротность, QM
частотно-селективных устройств на объемных и поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах планарной моды колебаний. Применяются в основном при создании фильтров на дискретных пьезоэлементах. К ним относятся материалы ЦТС-38, ЦТС-39 и ЦТС-40.
Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах моды колебаний сжатия-растяжения по толщине. Представителями этой подгруппы являются материалы ЦТС-35 и ЦТС-35У. ЦТС-35У выпускается в виде горячепрессованных блоков.
Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах моды колебаний сдвига по толщине. Представителем этой подгруппы является материал ЦТС-35. Материалы этих подгрупп используются при создании монолитных фильтров для частотно-модулированных сигналов на частоты до 10 МГц.
Материалы для частотно-селективных устройств на поверхностных акустических волнах. К этой подгруппе относится материал ЦТС-33, изготовляемый в виде горячепрессованных блоков. Он применяется при разработке фильтров на частоты до 40 МГц.
Высокотемпературные ПКМ. Высокотемпературные ПКМ используются для изготовления пьезоэлементов, работающих при температурах не менее 250 °С. В эту группу входят материалы ЦТС-21, ЦТС-26, ТНаВ-1 и ТНВ-1, обеспечивающие повышенные рабочие температуры пьезоэлементов (250-750 °С). Для повышения температурной стабильности пьезомодуля (d33) разработаны модификации материалов ЦТС-26 и ТНаВ-1, ЦТС-26М и THaB-lM.
Литература к главе 1
1. Берсукер И.В. Эффект Яна-Теллера и вибронные взаимодействия в современной химии. – М.: Наука, 1987. – 344 c.
22 Глава 1. Общие сведения об электроакустических преобразователях
2. Дидковский В.С., Лейко А.Г., Савин В.Г. Электроакустические пьезокерамические преобразователи. – Кировоград: Имекс ЛТД, 2006. – 448с. (на укр.).
3. Домаркас В.И., Кажис Р.-Й.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. «Лиентис», Вильнюс, 1975. – 258с.
4. Материалы пьезокерамические. Типы и марки. Технические требования. ГОСТ 13927-80, М., 1980.
5. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А Корепин и др. Л.: Судостроение, 1988, – 552с.
6. Ультразвук (маленькая энциклопедия) / Под ред. И.П. Голяминой. – М.: Сов. энциклопедия, 1979. – 400 с.
7. Sharapov V. Piezoceramic sensors. – Springer Verlag, 2011. – 498 p.
8. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. – М.: Техносфера, 2006. – 632с.
9. Шарапов В.М. Пьезокерамические трансформаторы и датчики/ В.М. Шарапов, И.Г. Минаев, Ж.В. Сотула, К.В. Базило, Л.Г. Куницкая. // Под ред. В.М. Шарапова. – Черкассы: Вертикаль, 2010.- 278с.