Пьезоэлектрические преобразователи

Действие этих преобразователей основано на использовании пьезоэффекта, которым обладают некоторые естественные и синтетические материалы: кварц, сегнетовая соль, дигидрофосфат аммония, титанат бария, пьезокерамика титаната бария и цирконата­титаната свинца.

Явление пьезоэффекта состоит в том, что при деформации сжатия или растяжения (в определенных направлениях) на поверхности кристаллов появляются электрические заряды, значение которых прямо пропорционально степени деформации, а их полярность зависит от знака деформации. Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. и получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.

Если же такой кристалл поместить в электрическое поле, то он будет претерпевать деформацию, значение и знак которой зависят соответственно от напряженности электрического поля и его полярности — это обратный пьезоэлектрический эффект.

Уравнения пьезоэффекта:

прямого

обратного

Где

где - электрическое напряжение на обкладках;

- пьезомодули;

- напряженность внешней механической силы;

- механическая деформация кристалла;

Е — напряженность электрического поля.

Прямой пьезоэффект используется в приемниках, обратный - в излучателях. Первыми пьезоэлектрическими вибраторами были кварцевые. Однако большого распространения они не получили вследствие дороговизны, малой механической прочности и относительно небольшой чувствительности.

В настоящее время в качестве пьезоэлектрического материала для изготовления вибраторов широко применяется керамика титаната бария и цирконата-титаната свинца. Пьезомодуль керамики примерно в 100 раз больше, чем у кварца. Кроме того, поскольку пьезокерамику получают путем

прессования, можно изготовить вибратор любой формы.

К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей относятся: малые размеры и масса, высокая чувствительность, возможность работы на высоких частотах, взаимозаменяемость.

К недостаткам таких преобразователей следует отнести: низкую механическую прочность, ограничения по температуре, сложную технологию изготовления (пьезокерамика нё имеет первоначальной ориентации кристаллографических осей, поэтому ее предварительно нужно поляризовать, помещая в электрическое поле большой напряженности).