Пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект наблюдается, когда пьезоэлектрический кристалл помещают в электрическое поле. Этот эффект состоит в том, что под воздействием электрического поля геометрические размеры пьезоэлектрического кристалла изменяются.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект характеризуется тем, что пьезоэлектрическая пластинка, внесенная в электрическое поле, изменяет свои размеры в соответствии с напряженностью и направлением этого поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяю-щихся давлений, в частности, для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца ( или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластина придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пластины передаются ча-стицам окружающей среды ( воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему Электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект ( изменение размеров пьезокварца в электрическом поле) представляет собой частный случай более общего явления электрострикции — изменения размеров твердых и жидких диэлектриков при электрической поляризации.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяющихся давлений, в частности для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механических напряжений и деформаций в кварцевой пластине, помещенной в электрическое поле.
 

Прямой пьезоэффект

Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под действием механических напряжений. Обратный пьезоэффект проявляется в изменении. Эти эффекты очень ярко проявляются в кварцевом резонаторе.
 

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов при деформации пьезоэлемента, а обратный — в его деформации под действием электрического поля. Таким образом, пластина излучает благодаря обратному пьезоэффек-ту, а принимает — благодаря прямому.
 

Прямой пьезоэффект состоит в том, что при сжатии или растяжении пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли и некоторых других кристаллов, на ее гранях появляются электрические заряды. Под действием продольной упругой волны на гранях пластинки периодически появляются заряды противоположных знаков. Прямой пьезоэффект используют для регистрации ультразвуковых волн.
 

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов противоположных знаков на поверхностях кристаллов некоторых веществ при механическом воздействии на них. При изменении направления механического воздействия знаки зарядов изменяются на противоположные.
 

Прямой пьезоэффект заключается в том, что некоторые вещества с кристаллической структурой при действии механических сил могут электрически поляризоваться. Пьезоэффект присущ кристаллам с ионными решетками, имеющими низкую степень симметрии. При механических воздействиях происходит деформация элементарных ячеек кристалла и смещение положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что ведет к изменению электрических моментов и к поляризации кристалла в целом. С изменением деформации сжатия на деформацию растяжения ( или наоборот) направление поляризации меняется на противоположное.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. Связь между механическими и электрическими параметрами ( деформацией и электрическим полем) носит в обоих случаях линейный характер.
 

Явление прямого пьезоэффекта, заключающееся в возникновении зарядов на гранях кристаллов некоторых веществ при их растяжении и сжатии, было открыто в 1880 г. братьями Кюри.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. У некоторых пьезоэлектриков решетка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются электрически поляризованными даже без внешнего электрического поля. Такие кристаллы называются пнроэлектриками. Эти группы веществ находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэф-фект — появление механических деформаций под действием электрического поля. При упругой деформации происходит смещение положительных и отрицательных ионов друг относительно друга, что приводит к возникновению электрического момента. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Смещение частиц в кристаллах, обладающих центром симметрии, не приводит к появлению поляризованного состояния. В этом случае происходит электрическая компенсация моментов.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту на поверхности пластинки кварца образуются электрические заряды и через пластинку проходит ток, совпадающий по фазе с приложенным напряжением. Следовательно, через кварц, кроме реактивной составляющей тока, проходит активная составляющая, которую называют пьезоэлектрической.
 

Приступаем к изготовлению

Сперва каркас был изготовлен из дерева, верхняя и нижняя пластины вырезаны из двухстороннего тонкого фольгированного стеклотекстолита. Дерево желательно брать твердое и плотное, неплохо подойдут — ясень, бук. Вместо дерева можно использовать другие материалы без магнитных свойств — пластмассы, пластик и т.п.

Рис. 2. Деревянный каркас звукоснимателя для гитары.

Рис. 3. Деревянный каркас звукоснимателя для гитары с пластинами из стеклотекстолита.

Зачем пластины из фольгированного стеклотекстолита? — позже, контакт с фольгой для каждой из пластин будет подключен к земле (общему проводу), таким образом образуем дополнительный экран и защиту от помех и наводок.

Углы пластин из стеклотекстолита не заокругливал, позже эта площадь пригодится для крепления в резонирующее отверстие акустической гитары.

Далее нужно было найти материал для сердечников — стальные прутки диаметром около 4мм. Для данной цели была использована стальная направляющая от старого матричного принтера, она немножко большого диаметра — 5мм, тем не менее это отличный материал для сердечников.

Рис. 4. Стальная направляющая от старого матричного принтера.

Подготовив все материалы и зная диаметр сердечников (5мм), можно сверлить шесть отверстий в основании, а потом и в боковых пластинах будущего каркаса.

С помощью линейки и карандаша были размечены шесть отверстий, как изображено на чертеже что на рисунке 1. Для уверенности что все верно, основание каркаса было погружено под струны гитары, в таком положении можно проверить соответствуют ли оси намеченных отверстий осям стру — пришлось немножко подкорректировать.

Для удобства и безопасности сверления, основание из дерева было два раза обернуто в тонкий картон и потом зажато в тиски.

Зажимать нужно аккуратно, с не большим усилием, главное чтобы уверенно держалось. Сверлим отверстия не спеша, очень острым новым сверлом и на больших оборотах. С применением ручной дрели дело это оказалось не простым…

Рис. 5. Сверление отверстий в деревянном основании каркаса звукоснимателя.

Просверлив несколько отверстий ручной дрелью стало понятно что дела плохи. Никак не удавалось получить отверстия четко по центру. Здесь бы хорошо подошел сверлильный станок, но такого агрегата у меня не было.

Было принято решение отказаться от использования дерева, нужен материал с более высокой плотностью и опять же без магнитных свойств — нашелся кусок органического стекла.

С оргстеклом удалось просверлить все отверстия более-менее точно с первого раза.

Рис. 6. Высверливание отверстий в основании каркаса звукоснимателя из органического стекла.

В итоге получился вот такой каркас-основание для будущего звукоснимателя:

Рис. 7. Готовый каркас-основание для будущего звукоснимателя.

Основание каркаса было приложено к одной из стеклотекстолитовых пластин, при помощи шила было намечено где нужно сверлить два крайних отверстия на пластине. Так же само делаем со второй пластиной и сверлим в них намеченные отверстия.

Пришло время изготовить сердечники. Как раньше было написано, для сердечников я использовал направляющие от старого матричного принтера диаметром 5мм.

Нужно отрезать шесть равных по высоте сердечников — для этого берем высоту основания из оргстекла 10мм и прибавляем к ней еще порядка 4мм (толщина двух пластин из текстолита + запас), в результате получается что нужны сердечники высотой около 14мм (лишнее потом можно сточить напильником и точно подогнать).

После того как сердечники готовы, берем два из них и вставляем в крайние отверстия основания, насаживаем на сердечники одну из пластин, сверлим по отверстиям в оргстекле все остальные отверстия в пластине из стеклотекстолита. После этого насаживаем вторую пластинку с другой стороны и также сверлим в ней отверстия.

Вот что получилось в результате труда:

Рис. 8. Заготовка каркаса с просверленными отверстиями.

Рис. 9. Каркас звукоснимателя вместе с сердечниками в сборе.

Для надежного скрепления каркаса, я решил прикрутить пластины к основанию при помощи маленьких винтов-саморезов, такие часто можно встретить в малогабаритных игрушках китайского производства.

Сперва просверлил отверстия в пластинах и основе из оргстекла, используя для этого сверло немножко меньшего диаметра чем диаметр винтиков.

Рис. 10. Крепление пластин к основе с помощью винтиков-саморезов.

Каркас будущего звукоснимателя для акустической гитары готов:

Рис. 11. Каркас для самодельного звукоснимателя в сборе.

Пьезопреобразователь

Пьезопреобразователи обладают высокой чувствительностью и широко применяются при измерении быстропроте-кающих процессов.
 

Пьезопреобразователи, предназначенные для ввода волны в направлении, перпендикулярном поверхности, называют прямыми, или нормальными, а для ввода под некоторым углом — наклонными, или призматическими. Пьезопреобразователи включаются по раздельной, совмещенной или раздельно-совмещенной схемам. В последнем случае в одном корпусе размещаются два пьезопреобразователя, разделенных между собой экраном. При падении ультразвуковой волны на поверхность раздела двух сред, в частности на границу дефекта, часть энергии отражается, что и используется при контроле. Для анализа распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии используют три основных метода: теневой, зеркально-теневой и эхо-метод.
 

Входной пьезопреобразователь возбуждает в звукопроводе продольные ультразвуковые волны.
 

Современный пьезопреобразователь выполняют в виде элемента 15 ( рис. 36, г), склеенного из двух пластин пьезоэлектрика ( титанат бария, титанат циркония, сегнетова соль и др.), несущего на своем конце иглу 2, нормальные смещения которой под действием неровностей испытуемой поверхности 1 вызывают деформацию элемента и тем самым ( вследствие асимметрии кристаллической структуры) пропорциональную ей разность потенциалов и0 на выходе.
 

Пьезопреобразователи электрических сигналов ( резонаторы, фильтры, линии задержки, устройства свертки сигналов и др.) делятся на две основные группы.
 

Если пьезопреобразователь с помощью звукопроводов выносится из зоны с высокой температурой, к узлу преобразования не предъявляют особых требований и можно использовать конструкции, обычно применяемые в технике акустических исследований и контроля. Для работы с металлическими звуко-проводами, соединяющими генератор и приемник ультразвука с высокотемпературными объектами, успешно использовали конструкцию преобразователя, содержащую несколько пьезоэлементов различных диаметров. Поскольку диски из пьезокерамики из-за большого значения поперечного коэффициента электромеханической связи &3i хорошо возбуждаются на частотах радиальных резонансов, их можно использовать для повышения чувствительности преобразователя в полосе частот вблизи указанных резонансов.
 

Недостатком пьезопреобразователей из керамики титаната бария является то, что пьезоэлектрические свойства их исчезают при температурах свыше 1 10 С.
 

Работа пьезопреобразователя подробно рассмотрена в , поэтому изложим лишь самые необходимые сведения.
 

Добротность пьезопреобразователя при работе его в качестве искательной головки определяет не только амплитуду измеряемых УЗК, но и их частоту.
 

Схемы пьезопреобразователей с поперечным сжатием пластин: / — кристалл; 2 — обкладка.
 

Кроме кварцевых пьезопреобразователей, используется также и титанат бария, выполненный в виде керамики. Однако его свойства не обладают такой стабильностью, как у кварца, и зависят от состава, технологии изготовления, температуры и изменяются со временем.
 

Пьезоэлектрические свойства горных пород

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые.

Преобразователи параметрического типа

Используют одновременно прямой и обратный пьезоэффекты. Это пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др, преобразователях электрической энергии.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.

Производители

За рубежом лидерами в данной области техники являются: PCB Piezotronik JNG, Endevco Corporation, DYTRAN, Sanstard Date contrl — (США), Erich Broza, Rheometron — (Германия), Flopetron, C.F.V. LTD — (Франция), Merles, Motoroia JNG, AVL — (Великобритания), Kistler Instrument AG, Vibro-meter — (Швейцария), Hans List -(Австрия), Bruel & Kjaer (Дания). Ведущими предприятиями в России по разработке и выпуску пьезоэлектрических преобразователей и датчиков являются: ООО НПП «ТИК» г. Пермь, НИИ Физических измерений г. Пенза, ЦНИИМАШ г. Королев, НКТБ Пьезоприбор ЮФУ, ООО «Пьезоэлектрик» г. Ростов-на-Дону, ЗАО «Виброприбор», ООО «Актив-Термокуб» г. Екатеринбург, г. Санкт-Петербург. АО «Морион» Санкт-Петербург.

Намотка катушки

После того как найдены магниты, можно с уверенностью переходить к намотке катушки индуктивности для будущего звукоснимателя. Намотать желательно примерно 2000-3000 витков тонкого медного эмалированного провода диаметром 0,08-0,1мм.

Я решил намотать катушку до заполнения проводом диаметром 0,15мм — им удобно мотать и уменьшается вероятность разорвать провод в процессе намотки.

Рис. 13. Бухта с проводом для намотки катушки будущего звукоснимателя.

Начало провода очищаем от эмали и лудим при помощи паяльника. Отрезаем кусок изолированного проводника длиной 12-15см, очищаем один из его концов от изоляции где-то на 5мм и лудим паяльником.

Прикручиваем к кончику проводника начало эмалированного медного провода и спаиваем их. Нарезаем полосочку изоляционной ленты и изолируем место спайки.

Рис. 14. Начинаем намотку катушки звукоснимателя.

Укладываем в наш каркас заизолированный конец провода и обматываем его несколько десятков витков, для надежной фиксации. Теперь можно смело мотать остальную часть катушки, не опасаясь что провод выползет или уйдет в сторону.

Вот пример фиксации (магниты еще не закреплены, просто держатся за счет силы притяжения к сердечникам):

Рис. 15. Фиксация начала катушки в каркасе звукоснимателя.

После часа-второго намотки (немножко утомительный процесс) катушка индуктивности звукоснимателя была заполнена проводом до предела.

Рис. 16. Катушка звукоснимателя готова.

Конец проводника катушки лудим паяльником и припаиваем ко второму изолированному проводнику. С помощью изоленты изолируем соединение. С помощью нити приматываем заизолированное место спайки проводников к катушке чтобы надежно зафиксировать.

Типы звукоснимателей

В настоящее время существуют такие типы звукоснимателей как
активные и пассивные. Разберем особенности каждого из них в отдельности.

Пассивные звукосниматели

Как вы уже поняли, звукосниматели преобразуют механические колебания струны в электрические. После этого полученный сигнал передается через шнур в усилитель. Звукосниматели, в которых стоят датчики пассивного типа, подают в усилительное оборудование сырой сигнал без каких-либо преобразований.  Следует также знать, что регулировки звука и его тональности ухудшают уровень высоких частот, если использовать пассивный звукосниматель. Происходит это потому, что он состоит только из катушек и магнитов и имеют самую простую схему подключения.

Пример звучания пассивного хамбакера в бриджевой позиции

В свою очередь, если на ней намотано большое их число, это приводит к большому сопротивлению звукоснимателя для гитары  и высокой индуктивности. За счет этого сигналы в верхних и нижних частотах ослабевают и поэтому в таких моделях так ярко выражены именно колебания средней частоты.  И именно поэтому слушателям и кажется, что такие устройства звучат громче, поскольку наше ухо лучше всего улавливает именно средние частоты. В случае, если в пассивных звукоснимателях стоят сильные магниты и намотано большое количество витков катушки, то он может влиять на колебание струны. К примеру, она может быстро затухать, могут образовываться волчки и т.д.

Как выбрать активные звукосниматели

В первую очередь следует знать, что в активных звукоснимателях для гитар стоят катушки с небольшим количеством витков. За счет этого, сопротивление будет гораздо слабее, что приведет к меньшему ослабеванию частот низкого и среднего типа. И поэтому звук получается не полным и широкодиапазонным. К сожалению, активные модели передают очень слабый сырой сигнал, который должен передаваться на усилитель. Для того, чтобы его усилить, его оснащают встроенным миниатюрным усилителем звука, который находится непосредственно в самом «звучке». За счет того, что активные выдают более широкий диапазон и имеют предусилитель, отпадает необходимость выкручивания гейна на комбике.

Применение

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую.

В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени.

В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом.

В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии

Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран