Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной симметрией. К наиболее распространенным в природе минералам-пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин. Пьезоэффектом обладают некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры).

Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механическую деформацию (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию, т.е появление на его поверхностях электрических зарядов разных знаков (рис.1а, F - действующие силы, Р - вектор электрической поляризации).

При противоположном направлении механических сил меняются знаки зарядов (рис.16). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

Как работает пьезоэлемент

Рис. 1. Как работает пьезоэлемент.

Прямой пьезоэффект

Рис. 2. Прямой пьезоэффект.

Эффект электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические деформации (рис.1в). При изменении направления электрического поля соответственно изменяются деформации (рис.1 г). Это явление получило название обратного пьезоэффекта (рис.2б).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд.

В отсутствие внешнего электрического поля эта поляризация не проявляется,так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и соответственно изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности.

Именно это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и от характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 0,23 мкм. Незначительность деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением д:

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности а называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем). Он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

где:

  • г - деформация;
  • Е - напряженность электрического поля.

Пьезомодуль а для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического пьезоэлемента, закрепленного на металлическом диске (рис.З).

Вибрация диска вызвана приложенным к нему напряжением. Переменное напряжение определенной частоты создает звуковой сигнал.

Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции, имеют малое энергопотребление, у них отсутствуют электрические шумы.

С помощью пьезокерамики удается получать значительную громкость звука. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1 м до 130 дБ (уровень болевого порога).

Конструкция пьезоэлектрического излучателя

Рис. 3. Конструкция пьезоэлектрического излучателя.

Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях:

  • “чистые” преобразователи (без схемы управления) - пьезозвонки;
  • излучатели со схемой управления (с встроенным генератором) - оповещатели.

Чтобы преобразователи первого типа генерировали звуки, необходимы сформированные управляющие сигналы (синусоида или меандр определенной частоты, указанной для конкретной модели преобразователя).

Излучатели со встроенным генератором требуют подачи только определенного уровня напряжения. Такие устройства выпускаются на номинальные напряжения от 1 до 250 В (постоянного и переменного тока).

Пьезозуммер ЗП-1

Рис. 4. Пьезозуммер ЗП-1.

Например, пьезокерамический звонок (пьезозуммер) ЗП-1 (рис.4) состоит из двух пьезоблоков, мембрана каждого из которых выполнена в форме неглубокой тарелки с внешним диаметром 32 мм.

Тарелки сложены встречно и пропаяны по внешней границе. Пьезоэлементы в звонке скоммутированы таким образом, что при подаче переменного напряжения поверхности тарелок либо сходятся, либо расходятся, т.е. с обеих сторон звонка образуются зоны сжатия и разрежения.

Резонансная частота звонка-2 кГц. Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В.

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Табл. 1. Характеристики и размеры пьезозуммеров.

Примечание: * - предназначен для работы в автоколебательном режиме.

Внешний вид пьезозвонков

Рис. 5. Внешний вид пьезозвонков.

Типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков

Рис. 6. Типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 и ЗП-5.

Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезозвонков, внешний вид которых показан на рис.5. На рис.6 представлены типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 - рис.ба и ЗП-5 - рис.66.

Широкое распространение получили пьезокерамические звонки с акустической камерой. Их основное преимущество- большая громкость звучания при малых габаритах.

Конструкция пьезокерамического звонка с акустической камерой проста. Это - полый цилиндр, одно основание которого - пьезоблок, другое - крышка с отверстием.

Соотношение объемавнутренней полости и размера отверстия рассчитывают так, чтобы акустический резонанс камеры и механический резонанс пьезоблока были близки по частоте. Звонок излучает звук благодаря отверстию, в котором частицы воздуха имеют большую амплитуду колебаний. Внешний вид звонков такого типа показан на рис.7.

Примеры звонков

Рис. 7. Примеры звонков.

Пьезокерамические оповещатели (пьезосирены) - это звукоизлучающие устройства, предназначенные для привлечения внимания на сравнительно большом расстоянии или в условиях шумового фона.

Они представляют собой электроакустические преобразователи с встроенными генераторами звуковой частоты и питанием от источника постоянного напряжения.

Оповещатели по сравнению со звонками должны развивать большее звуковое давление. Это достигается двумя путями. Во-первых, используются повышенные напряжения питания.

Во-вторых, принимаются конструктивные меры для увеличения излучающей поверхности.

Так, чтобы превратить в оповещатель звонок с акустической камерой, нужно снабдить его рупором. Рупор - это труба с увеличивающейся площадью поперечного сечения.

В узком начале трубы находится источник звука, а широкий конец - излучающий. В оповещателях для уменьшения габаритов используются свернутые рупоры.

На рис.8 схематично изображен разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором. Звуковая волна от отверстия акустической камеры радиально распространяется по лабиринту, меняя направление (вверх-вниз). С каждой сменой направления поперечное сечение становится все больше.

Разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором

Рис. 8. Разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором.

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Табл. 2. Параметры распространенных оповещателей разных производителей.

В итоге, площадь излучающего кольцевого отверстия многократно превышает площадь первоначального источника звука. Пример оповещателей с рупором - ОСА-100 и ОСА-110 (рис.9). Иной способ увеличения излучающей поверхности - использование диффузора или диафрагмы.

Пример оповещателей с рупором ОСА-100 и ОСА-110

Рис. 9. Пример оповещателей с рупором ОСА-100 и ОСА-110.

Например так, как схематично показано на рис.10. Воронкообразный диффузор своим основанием приклеивается к центру пьезоблока в точке максимальной амплитуды колебаний.

Параметры распространенных оповещателей разных производителей приведены в табл.2, а их конструктивное исполнение - на рис.11.

Способ увеличения излучающей поверхности

Рис. 10. Способ увеличения излучающей поверхности.

Конструктивное исполнение распространенных оповещателей разных производителей

Рис. 11. Конструктивное исполнение распространенных оповещателей разных производителей.

Поскольку пьезоэлектрический эффект обратим, пьезоизлучатели можно использовать в качестве тензодатчиков, т.е. элементов, преобразующих толчки, удары и другие механические воздействия на них в электрические сигналы. На основе пьезоэлектрического капсюля ЗП-1 (рис.4) можно создать простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Я применил его для контроля “состояния” входной двери в квартире, и оно автоматически включает звуковую сигнализации при любом механическом воздействии на дверь, в том числе, при ее открывании и закрывании.

Схема устройства представлена на рис. 12. Пьезодатчик фиксируется каплей клея “Супер-момент” на дверь с внутренней стороны квартиры (рис.13).

Простое и надежное устройство охранной сигнализации

Рис. 12. Простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Капсюль ЗП-1, служащий тензодатчиком, включается в разрыв шлейфа, подключенного к разъему Х2 (рис.12). Триггер Шмитта на элементе DD1 микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог - CD4093B) переключается пропорционально силе механического воздействия на ЗП-1. Эта микросхема имеет в своем составе 4 однотипных элемента с функцией 2И-НЕ и триггерами Шмитта.

Незадействованные входы остальных элементов (выводы 5, 6, 8, 9, 12 и 13), по правилам эксплуатации КМОП-микросхем, нужно соединить с общим проводом или питанием.

При механическом воздействии на пьезокапсюль, когда дверь открылась или закрылась, после стука по ней, задвигания щеколды или любого иного механического воздействия раздается акустический сигнал длительностью 1...5 с в зависимости от силы механического воздействия и положения движка резистора R1.

В исходном состоянии (после включения питания) на входах элемента DD1 за счет резисторов R1 и R2 присутствует высокий уровень (логическая “1”), на выходе - низкий (“0”).

Транзистор VТ1 закрыт, и звуковой капсюль НА1 не активен. Сотрясение, вибрация и удары влияют на капсюль ЗП-1 и преобразуются с его помощью в электрический сигнал.

Триггер Шмитта реагирует на изменение входного уровня и перебрасывается в другое состояние. Транзистор VТ1 открывается, почти все напряжение питания прикладывается к звуковому капсюлю НА1, и он громко звучит с частотой примерно 1000 Гц.

А. Кашкаров, г. С.-Петербург. РМ-07-12, 08-12.

1 52 Для начинающих
пьезоэффект
Написать комментарий:

cashback