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.

 

пьезоэффект

Рис. 1

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.1б). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

пьезоэффект прямой и обратный

Рис. 2

Но пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик 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 g:

Р=αg    (1).

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

r=αE    (2),

где r — деформация;

Е — напряженность электрического поля.

пьезоэлемент

Рис. 3

Пьезомодуль α для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического элемента, закрепленного на металлическом диске (рис.3).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)

пьезоизлучатель ЗП-1

Рис. 4

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).

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.

пьезоизлучателb""

Рис. 5

Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В. Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезоизлучателей, внешний вид которых показан на рис.5. На рис.6 представлены амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов: ПВА-1 рис.6а и ЗП-5 — рис.6б.

Табл.1 характеристики пьезоизлучателей

Тип

Звуковое

давление,

ДБ

Рабочее

напряжение,

В

Резонансная

частота,

кГц

Размеры, мм

Диаметр

Высота

ЗП-1

75

5

1...3

39

4

ЗП-3

75

3

4,1 ±0,05

42,7

2,1

ЗП-4

75

3

4,1±0,05

32

-

ЗП-5

75

5

1...3

39

4

ЗП-6

75

3

4,1±0,05

32

1,3

ЗП-18

88

3

4,1 ±0,05

22

7

ЗП-19

88

-

2,5

35

7

ЗП-22*

75

6

1 ...3,5

32

4

ЗП-25

88

3

4,1 ±0,05

22

3,5

ЗП-31

80

-

4,5

17

5

ПВА-1

80

-

2,1

37

9

ППА-1

75

-

1,2

45

11

Примечание: * — предназначен для работы в автоколебательном режиме.

 

амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов

Рис. 6, амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов

А.Кашкаров