Пьезоизлучатель

Пьезоизлучатель — это электроакустическое устройство, преобразующее электрические колебания в звуковые волны за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта. В отличие от электродинамических излучателей (динамиков), пьезоизлучатели не используют катушку и магнитную систему, а основаны на деформации пьезоэлектрического материала под действием переменного электрического поля. Отличаются высокой надёжностью, малым энергопотреблением и компактными размерами, но имеют ограниченный частотный диапазон и низкую чувствительность на низких частотах.

Принцип действия

Работа пьезоизлучателя основана на обратном пьезоэлектрическом эффекте, открытом братьями Кюри в 1880 году. При приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому материалу (например, кварцу, титанату бария или цирконату-титанату свинца) его кристаллическая решётка деформируется, вызывая механическое смещение. Если напряжение переменное, материал совершает колебания, которые передаются в окружающую среду (воздух, воду или твёрдое тело) и воспринимаются как звук.

Конструктивные особенности

Основные элементы пьезоизлучателя:

• Пьезоэлемент — пластина или диск из пьезокерамики, покрытый с обеих сторон электродами (обычно серебряными или никелевыми).
• Мембрана — тонкая металлическая, стеклотекстолитовая или полимерная пластина, к которой приклеивается пьезоэлемент. Увеличивает амплитуду колебаний и улучшает излучение звука.
• Корпус — пластиковый или металлический держатель, обеспечивающий крепление и акустическое согласование.

В некоторых конструкциях мембрана отсутствует, и пьезоэлемент работает непосредственно как излучатель (например, в ультразвуковых датчиках). Для повышения громкости применяются резонансные камеры или рупоры.

История

Первые практические пьезоизлучатели были созданы в 1920-х годах для гидроакустики и ультразвуковой дефектоскопии. В 1940-х годах, после разработки искусственной пьезокерамики (титанат бария), устройства стали массово применяться в сонарах и медицинских аппаратах. В 1970-х годах, с появлением цирконата-титаната свинца (ЦТС), пьезоизлучатели вошли в бытовую электронику — в качестве зуммеров в часах, калькуляторах и телефонах. В СССР и России пьезоизлучатели выпускались серийно (например, серии ЗП, ЗП-1, ПИ-1) и использовались в системах охранной сигнализации, измерительной технике и авиастроении.

Классификация

Пьезоизлучатели классифицируют по нескольким признакам.

По типу пьезоэлектрического материала

• Кварцевые — стабильны, но имеют низкую чувствительность; используются в эталонных генераторах.
• Керамические (на основе ЦТС, титаната бария) — наиболее распространены, обладают высоким КПД и широким диапазоном рабочих температур.
• Полимерные (поливинилиденфторид, ПВДФ) — гибкие, применяются в ультразвуковых датчиках и наушниках.

По частотному диапазону

• Низкочастотные (до 1 кГц) — редко встречаются из-за малой амплитуды колебаний; используются в специальных гидроакустических системах.
• Среднечастотные (1–10 кГц) — типичные зуммеры и звуковые сигнализаторы.
• Высокочастотные (10–100 кГц) — ультразвуковые излучатели для очистки, сварки, дальнометрии.
• Сверхвысокочастотные (свыше 100 кГц) — применяются в медицинской диагностике и неразрушающем контроле.

По конструктивному исполнению

• Безмембранные — пьезоэлемент излучает непосредственно; компактны, но имеют низкую громкость.
• С мембраной — обеспечивают усиление звука и более широкий частотный диапазон.
• Рупорные — снабжены акустическим рупором для повышения направленности и громкости.
• Многослойные — состоят из нескольких пьезоэлементов, соединённых механически последовательно; позволяют получить большую амплитуду колебаний.

Характеристики

Основные параметры пьезоизлучателей:

• Резонансная частота — частота, на которой амплитуда колебаний максимальна. Обычно лежит в диапазоне от 1 до 20 кГц для звуковых моделей и от 20 кГц до нескольких МГц для ультразвуковых.
• Звуковое давление — измеряется в децибелах (дБ) на расстоянии 1 м при номинальном напряжении. Типовые значения: 75–95 дБ для зуммеров, до 120 дБ для мощных сигнализаторов.
• Рабочее напряжение — от 3 до 30 В для бытовых моделей, до 200 В для промышленных.
• Электрическая ёмкость — от 1 до 50 нФ, влияет на согласование с усилителем.
• Диапазон рабочих температур — от –40 до +85 °C для стандартных керамических излучателей, до +200 °C для специальных.

Применение

Пьезоизлучатели используются в различных областях благодаря своей надёжности, долговечности и низкому энергопотреблению.

Бытовая электроника

• Зуммеры в микроволновых печах, стиральных машинах, электронных часах, калькуляторах.
• Звуковые сигнализаторы в телефонах, планшетах, ноутбуках.
• Пьезодинамики в дешёвых радиоприёмниках и игрушках.

Промышленность и транспорт

• Системы охранной и пожарной сигнализации (сирены, оповещатели).
• Ультразвуковые датчики расстояния (парктроники, уровнемеры).
• Ультразвуковая сварка пластиков и очистка деталей.
• Гидроакустические сонары и эхолоты.

Медицина

• Ультразвуковые сканеры для диагностики (УЗИ).
• Физиотерапевтические аппараты (ультразвуковая терапия).
• Хирургические инструменты (ультразвуковые скальпели).

Военная и авиационная техника

• Звуковые излучатели для систем оповещения и глушения.
• Гидроакустические станции для обнаружения подводных лодок.
• Пьезоэлектрические гироскопы и акселерометры.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая механическая прочность и устойчивость к вибрациям и ударам.
• Долгий срок службы (до 10–20 лет непрерывной работы).
• Минимальное энергопотребление (единицы милливатт).
• Отсутствие электромагнитных помех (нет катушки и магнита).
• Малые габариты и масса (от 0,1 г).
• Возможность работы в агрессивных средах (влага, пыль, химикаты).

Недостатки

• Узкий частотный диапазон (обычно 1–2 октавы вокруг резонанса).
• Высокое электрическое сопротивление, требующее согласования с усилителем.
• Нелинейные искажения на частотах, далёких от резонанса.
• Низкая чувствительность на низких частотах (ниже 500 Гц).
• Хрупкость пьезокерамики при механических перегрузках.

Сравнение с другими типами излучателей

Интересные факты

• Первый пьезоизлучатель на основе кварца был создан в 1917 году французским физиком Полем Ланжевеном для обнаружения подводных лодок.
• Пьезокерамика на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) была разработана в СССР в 1950-х годах и до сих пор остаётся основным материалом для промышленных излучателей.
• Некоторые пьезоизлучатели способны работать как в режиме излучения, так и в режиме приёма (обратимый пьезоэффект), что позволяет использовать их в сонарах и ультразвуковых датчиках.
• В России выпускаются пьезоизлучатели с рабочим напряжением до 500 В для мощных ультразвуковых установок (например, для очистки деталей в машиностроении).

Источники

• Гл. ред. А. М. Прохоров. Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 3.
• А. П. Крылов. Пьезоэлектрические преобразователи. — М.: Энергия, 1975.
• ГОСТ 26119-97. Излучатели пьезоэлектрические. Общие технические условия.
• В. В. Малов. Пьезоэлектрические резонаторы и фильтры. — М.: Радио и связь, 1983.
• Техническая документация на пьезоизлучатели серии ЗП (ОАО «Пьезо», Россия).