БАРСУКОВ Р.В.
А К У С Т О Э Л Е К Т Р О Н И К А
(КУРС ЛЕКЦИЙ)
Бийск 2005
Пьезорезонаторы. режимы и Параметры работы.
Пьезокерамические резонаторы (ПР) обширно используют для возбуждения разных колебаний; в большинстве случаев они трудятся в резонансном режиме. Для определения параметров ПР применяют схемы замещения и частотные характеристики представленные на следующем рисунке:
|
| Рисунок 4 — частотные замещения зависимости и Схема резонатора его параметров |
На оси абсцисс отмечен последовательность характерных частот:
fm — частота ПР, соответствующая |z|min;
fs — частота ПР при последовательном резонансе;
fp — резонансная частота ПР;
fx — частота, соответствующая Xs max;
Fa — антирезонансная частота ПР;
fr — частота ПР при парралельном резонансе;
fn — частота ПР, соответствующая |z|max;
Не считая отмеченных характерных частот, ПР так же характеризуют следующими параметрами:
r=CЭ/CM — емкостной коэффициент;
M=QM/r — коэффициент качества ПР;
QM=wSLM/RM — добротность ПР;
Характреристические частоты определяют из следующих соотношений:
Значения характеристических частот близки друг к другу, т.к. а, исходя из этого на практике из шести характеристических частот применяют в большинстве случаев две fp и fa.
Поверхностные звуковые волны
Разглядим волны Релея. Эти волны существуют лишь вблизи поверхности среды, из этого наименование поверхностные. Поверхностные звуковые волны находят широкое техническое использование по большей части потому, что их энергия сконцентрирована в относительно маленьком слое толщиной порядка одной длины волны вблизи поверхности.
В случае, если среда есть пьезоэлектрической, то электрические поля, которые связаны с таковой волной, должны возрастать вблизи поверхности.
Скорость распространения поверхностной волны VR меньше скорости распространения поперечной VS и продольной Vl волн.
Скорость волны Релея VR изменяется от 0,87VS до 0,95Vs при повышении коэффициента Пуансона от 0 до 0.5.
Поверхностные волны легли в базу устройств на ПАВ. В большинстве таких устройств главная часть энергии сосредоточена в приповерхностном слое толщиной 1-100 мкм.
Поверхностные волны легко возбудить в любой точке поверхности и комфортно принимать в каждый ее точке.
Потому, что волны распространяются по поверхности, в разных точках на пути распространения волны возможно снимать сигналы с разной задержкой.
Для преобразования электрического сигнала в ПАВ и напротив используют встречно- штыревые преобразователи (ВШП).
 |
| Рисунок 5 — Механизм возбуждения поверхностной волны на поверхности пьезоэлектрической пластинки. |
 |
| Рисунок 6 — Несложной а) и многоэлектродный б) встречно-штыревые преобразователи. |
При многоэлектродного ВШП любая пара электродов возбуждает волну Релея, а размещение пар подбирается так, дабы возбужденные волны усиливали друг друга. Это допустимо в случае, если расстояние между соответствующими штырями соответствует длине волны.
ВШП имеют малые размеры. К примеру, для возбуждения волны на частоте 40 мГц — ширина каждого электрода будет составлять не более 20 мкм. Скорость волны Релея в применяемых материалах (ниобат лития) образовывает 3,3 км/с, исходя из этого на частота 40 мГц протяженность волны 80 мкм. На частоты 1 Ггц расстояние между электродами образовывает 0.8 мкм.
Для изготовления преобразователей таких размеров возможно применять отлично освоенные способы фотолитографии, каковые используются в полупроводниковой индустрии.
Рисунок 13 — Эквивалентная электрическая схема ЛЗ ПАВ.
Входной и выходной преобразователи ЛЗ ПАВ представлены эквивалентными электрическими шестиполюсниками, характеризуемыми матрицами Y-параметров. Пьезоэлектрический звукопровод между входными и выходными преобразователями представлен на схеме электрическим аналогом — отрезком долгой линии с характеристическим сопротивлением Z0 и долгой l. Отсутствие отражения от краев пьезоподложки учтено тем, что внешние звуковые входы преобразователей нагружены на характеристическое сопротивление упругой среды Z0.
Для эквивалентной схемы ЛЗ ПАВ (рис. 13) с применением граничных условий на внешних звуковых входах:
и связи между внутренними звуковыми входами через отрезок долгой линии, возможно взять матрицу Y параметров:
где 
c — коэф-т, учитывающий в первом приближении утраты при распространении ПАВ в пьезозвукопроводе м-у преобразователями из-за расхождения и затухания ПАВ, разюстировки преобразователей и т.д.
Задержка сигнала при распространении ПАВ между преобразователями учитывается в Y12 сомножителем .
Применяя данную модель нужно не забывать, что она не учитывает расхождение ПАВ при распространении на протяжении ЛЗ и ВШП.
Исходя из взятых Y параметров возможно взять выражения для коэффициентов передачи линии задержки по току и напряжению.
Рисунок 14 — нагрузки подключения и Схема генератора к ЛЗ ПАВ
Так, для нагрузки включения и схемы генератора изображенной на рисунке 14, коэффициенты передачи по току и напряжению с первого входа ЛЗ на ее второй вход имеют вид:
В ЛЗ на ПАВ имеются отражения от входного и выходного ВШП, что ведет к искажениям амплитудных и фазовых черт. Для уменьшения этих искажений используют низкоомную источник и нагрузку с малым внутренним сопротивлением . В этом случае режим работы преобразователей близок маленькому замыканию и наряду с этим ПАВ не отражаются от преобразователей.
Для передачи большой мощности через ЛЗ ПАВ очевидны нагрузки согласования и требования генератора с входным и выходным сопротивлением ЛЗ ПАВ.
В первом случае от генератора во входной преобразователь ЛЗ ПАВ передается большая мощность сигнала, во втором – в нагрузку передается большая мощность, выделяемая приходящей на выходной преобразователь поверхностной звуковой волной.
нагрузки согласования и Условие генератора имеет следующий вид:
Yн=(Y22 – Y212/(1/zr+Y11))
Рисунок 15 — Линия задержки на ПАВ с разъюстированным преобразователем.
На рис. 15 продемонстрирована ЛЗ ПАВ, у которой один из преобразователей повернут довольно другого на некий угол . Мощность главного сигнала Росн при малых падает незначительно. Это уменьшение возможно характеризовать величиной , равной
W – апертура приёмника и излучателя (долга полос ВШП).
Отражательные решетки
Отражательные решетки ПАВ являются главным элементом резонаторов на ПАВ. Они образуются периодическими нарушениями структуры поверхности пьезокристалла и являются распределенный отражатель с пространственным периодом, равным в большинстве случаев половине рабочей длины ПАВ. Любой из его элементов отражает только малую часть падающей на него звуковой волны. Но за счет синфазного сложения солидного числа отраженных частичных волн неспециализированный коэффициент отражения на рабочей частоте получается родным к единице, но и значительно частотно — зависящим, поскольку синфазное сложение допустимо только вблизи рабочей частоты решетки.
Неоднородности структуры поверхности пьезокристалла, нужные для реализации отражающих решеток, возможно создать различными методами, к примеру, нанесением на его поверхность проводящих либо непроводящих полос. В первом случае железные полосы закорачивают электрическое поле в той части поверхности пьезокристалла, на которую они нанесены, что, по большей части, и приводит к локальному изменению скорости ПАВ. Во втором случае неоднородность создается за счет внесения дополнительной массовой нагрузки на поверхность пьезокристалла. Нарушение структуры поверхности возможно кроме этого создано методом травления либо фрезерования канавок.
 |
Рисунок 16 — Пример отражающих элементов. 1 — проводящие полосы, 2 – непроводящие полосы, 3 – канавки.
Разглядим воздействие распределенного отражателя на модели отражательной решетки, выполненной в виде неоднородной линии передачи ПАВ, характеристическое сопротивление которой иногда скачком изменяется от Z01 до Z02.
 |
Рисунок 17 — Модель отражательной решетки
Z=Z02/Z01=1+e; e — параметр рассогласования.
Эта отражательная решетка имеет модуль коэффициента отражения r равный:
r= 
; b2= 
sh (N0D) при h20
b2= sin (N0D) при h2
D= ; h2=e2sin2(pt) -d2 ; d=p(w-w0)/ wс ;
N0 – количество отражающих полос;
wс – центральная частота отражения (резонансная).
Выражения взяты для расстроек, удовлетворяющим условию |d|
Рабочая частота отражательной решетки определяется выражением:
wс= ( — )-1 » p
d — период решетки;
V, Vm – скорости на свободной и металлизированной поверхности .
Большое значение (r0) коэффициент отражения принимает, в то время, когда отражение от каждой полосы звуковой волны складывается синфазно.
r0=|th(N0e sin(pt))|
 |
Рисунок 18 — Зависимость модуля коэффициента отражения на центральной частоте от количества отражающих элементов при e=0.004
Конструкции резонаторов
Резонатор ПАВ представляет собой пьезозвукопровод, на финишах которого находятся две в большинстве случаев однообразные отражающие решетки.
Решетки действуют как распределенные отражатели, между которыми образуется резонансная полость. Энергия колебаний подводится и выводится из резонансной полости ВШП, которых возможно один либо два. В первом случае резонатор именуют одновходовым , а во втором — двухвходовым.
Добротность резонаторов на ПАВ достигает 5*105 а рабочие частоты достигают 10 ГГц.
Рисунок 19 — Резонаторы на ПАВ:
а) одновходовой, б) двухвходовой; 1- отражательная решетка,
Рисунок 20 – Топологии резонаторов на ПАВ и их электрические эквивалентные схемы
а) одновходовой резонатор
б) двухвходовой резонатор
в) связный резонатор
Связанный резонатор (рис. 20.в) представляет собой два одновходовых резонатора, между которыми установлена не сильный сообщение, разрешающая энергии колебаний попадать из одной резонансной структуры в другую.
Использование связанный резонаторов в управляемых генераторах разрешает увеличить диапазон перестройки частоты их.
Рисунок 24 — конструкции и Основные типы ПТ.
Изюминкой пьезокерамических трансформаторов есть резонансный темперамент преобразования энергии в относительно узкой полосе частоты механического резонанса, в то время, когда амплитуда механических внутренних напряжений достигает большого значения.
По типу возбуждения объемных волн деформаций в ПТ их условно подразделяют на сдвиговые, изгибные и продольные.
Пьезотрансформаторы сдвигового и изгибного типов нашли использование при передаче малых уровней электрических сигналов: ПТ на сдвиговых волнах применяют в области частот от 0,5 МГц и выше; ПТ на изгибных волнах применяют в низкочастотной области — до единиц килогерц.
Громаднейшее распространение взяли ПТ пластинчатого типа с возбуждением объемных продольных колебаний в направлении ширины либо длины пьезопластины.
В зависимости от направления вектора распространения и направления поляризации возбуждаемых колебаний пьезотрансформаторы подразделяют на поперечно-продольные, поперечно-поперечные, продольно-продольные и продольно-поперечные. В зависимости от назначения ПТ разделяют на повышающие и понижающие .
Одна из первых конструкций высоковольтных ПТ продемонстрирована на рис. 1,а. Коэффициент изменения для того чтобы ПТ достигает 100 в нагруженном состоянии и более 1000 при отсутствии нагрузки. На этом же рисунке даны распределение внутренних механических деформаций и смещение отдельных частей пьезоэлемента; такие ПТ действенно трудятся как на основной, так и на второй гармонике собственного механического резонанса.
Для преобразования повышенной мощности самые оптимальными являются ПТ с пьезоэлементом в виде цилиндра (рис. 1,г), отличающиеся большой прочностью при работе в сильных динамических полях и моночастотностью амплитудно-частотных черт (АЧХ).
Рисунок 25 – Геометрические размеры пластинчатых ПТ
Зависимость скорости распространения упругих волн в ограниченной среде пьезопластины от ее геометрического (поперечного) размера возможно представлена выражением:
где ? — коэффициент Пуассона, b — поперечный размер, ?— протяженность продольной волны.
Рабочие частоты ПТ и его геометрические размеры возможно выяснить из графика на рисунке 26.
Рисунок 26 – Зависимость трансформации относительной скорости упругих волн от поперечного размера пьезопластины b.
К* — нормировочный коэффициент, равный отношению скорости звука в пьезопластине к скорости звука в неограниченной среде.
Зависимость коэффициента изменения Ки для высоковольтного ПТ поперечно-продольного типа от его размеров b/l приведена на следующем рисунке:
Рисунок 27 – Экспериментальные графики трансформации коэффициента изменения ПТ поперечно-продольного типа от отношения ширины к длине.
1 – 2-я гармоника, Rн=200 Мом
2 – 1-я гармоника, Rн=200 Мом
3 – 2-я гармоника, Rн=50 Мом
4 – 1-я гармоника, Rн=50 Мом
Оптимальные геометрические соотношения для симметричного ПТ приведены на следующем рисунке:
Рисунок 28 – Области оптимальных соотношений геометрических размеров ПТ из пьезокерамики ПКД-124-1Т
Соотношения честны при условии не сильный электрических полей и ненагруженном режиме (при Rн 200 МОм).
Пьезопластина ПТ имеет конечные и соизмеримыеразмеры, исходя из этого возбуждение продольных волн сопровождается возникновением дополнительных мод колебаний, к примеру поперечных, изгибных и сдвиговых. Происхождение колебаний побочных типов и особенно изгибных ведет к дополнительным внутренним утратам и часто к разрушению самой пьезопластины.
Выбор конструкции ПТ и его рабочей частоты определяется по большей части требованиями его выходных электрических параметров (Ku, Pmax, направляться).
При разработке пьезоэлектронных ИВЭП нужно обеспечить устойчивость и необходимую стабильность их работы в широком диапазоне температур. Исходя из этого при разработке электрической схемы должна быть известна температурная нестабильность самого ПТ. Изменение выходных параметров ПТ в широком диапазоне температур зависит от стабильности электрофизических особенностей материалов, из которых изготовлен ПТ.
|
|
| Рисунок 28 – Зависимости трансформации электрических параметров ПТ от температуры |
Анализ результатов изучения температурных зависимостей продемонстрировал, что:
резонансная частота ПТ изменяется не более чем на 1 %;
изменение коэффициента изменения Ки не превышает20%;
КПД имеет максимум при комнатных температурах, а его изменение в диапазоне температур —60 …+120° С не превышает 10%;
коэффициент электромеханической связи k33 фактически постоянен;
действенная добротность Qэф увеличивается не более чем на 10%.
Существенно (приблизительно в 1,5 раза) возрастает диэлектрическая проницаемость ?тзз, возрастают и диэлектрические утраты: tg? (от 0,2% до 2%, т. е. на порядок).
Рост диэлектрических утрат при повышенной температуре ведет к появлению дополнительных внутренних утрат в количестве диэлектрика, что снижает, со своей стороны, эффективность энергетических показателей ПТ.
В диапазоне температур —60…+120° С трансформации tg? приводят к понижению КПД и выходной мощности Рвых не более чем на 3 … 5%.
Одномерные.
1.Амплитудный метод управления базируется на трансформации «амплитуды» напряжения возбуждения ПТ при работе на резонансной частоте.
2.Частотный метод управления основан на применении резонансного характера АЧХ ПТ, рабочая точка выбирается на частотах (вблизи ) на квазилинейном участке АЧХ ПТ. Компенсация раздражающих действий в данных источника питания осуществляется методом смещения рабочей точки ПТ на протяжении частотной оси АЧХ. Выбор рабочей точки осуществляется на правом склоне АЧХ (энергетически удачный режим – максимум КПД ПТ).
3.Фазовый метод управления основан на трансформациях фазового сдвига между входным и выходным переменными напряжениями (либо токами) ПТ, наряду с этим ПТ возбуждают на или на частоте , или на частотах (вблизи ).
Напряжение на выходе ПТ возможно записать в следующем виде:
где — коэффициент изменения ПТ;
— сдвиг фаз между механическими колебаниями ПТ и вынуждающими электрическими колебаниями.
Таблица – Методы управления работой ПТ
| Одномерный | Двумерный | Многомерный |
|
||
|
||
|
Трансверсальные фильтры
Всем привычны простые фильтры нижних и верхних частот и полосовые фильтры, собранные из резисторов, индуктивностей и конденсаторов. Такие фильтры удобны для подавления сигналов нежелательных частот и для выделения сигналов в нужном частотном диапазоне, что нужно, к примеру, в радио- и телевизонной технике.
С развитием локационной техники и техники связи показался интерес к более сложным способам фильтрации, каковые реализуются на базе трансверсалъных фильтров.
Трансверсальные фильтры являются многоотводные линии задержки, в которых любой отвод соединен с неспециализированной входной либо выходной линией.
В случае, если нужно найти сигнал, уровень которого ниже уровня шума, то громадную помощь оказывает предварительное знание структуры нужного нам сигнала. К примеру, узкополосный фильтр выделяет определенный узкополосный сигнал и увеличивает его амплитуду если сравнивать с шумом, кроме мешающие сигналы, за счет чего увеличивается отношение сигнал/шум. Это — отлично узнаваемый пример фильтра, трудящегося в частотной области.
Если исходный сигнал содержит цифровой код либо определенную структуру, то отношение сигнал/шум возможно расширить посредством согласованного с этим кодом либо структурой фильтра именуемого корреляционным фильтром.
В общем случае такие фильтры разрешают вводить в согласованный трансверсальный фильтр долгий код и приобретать сжатый выходной импульс. Потому, что энергия входного и выходного сигнала однообразна, амплитуда сжатого выходного импульса будет существенно выше, чем у входного сигнала. Шум же преобразуется в противном случае, потому, что фильтр не согласован с ним; за счет этого возрастает отношение сигнал/шум.
(код, сигнал определенной структуры, сложная модуляция и т.п.)
Пьезоэлектрические двигатели (ПЭД)
По принципу действия ПЭД возможно подразделить на две главные группы:
— ударного действия с дискретным перемещением подвижной части;
— ПЭД волнового типа с постоянным перемещением подвижной части.
В ПЭД ударного типа осуществляется ударное сотрудничество «ротора» и «статора» в зоне их сосредоточенного контакта, и подвижная часть приводится в перемещение под действием ударных импульсов, следующих с частотой колебаний ПЭ. Частота колебаний может доходить до МГц; следовательно, эти ПЭД при громадных значениях fр характеризуются высокой равномерностью перемещения, не смотря на то, что в любой период колебаний Т существует неравномерность. Эта несколько ПЭД в определенном смысле подобна электрическим двигателям постоянного тока, поскольку якорь последних приобретает высокочастотные периодические толчки от сотрудничества магнитных полей.
|
| Рисунок 47 – Упрощенные конструкции ПЭД ударного типа |
|
| Рисунок 48 – Упрощенные конструкции ПЭД волнового типа: вращательного перемещения с аксиальной (а) и радиальной (б) поляризацией, их разрез (в), линейный ПЭД (г). |
В ПЭД волнового типа с «распределенным» контактом осуществляется «постоянное» фрикционное сотрудничество волнового перемещения упругого преобразователя (ПЭ) и подвижной части. (Бегущая волна). Эта несколько ПЭД имеет некую аналогию с волновыми фрикционными передачами, конечно с электрическими двигателями переменного тока, у которых в этом случае происходит постоянное сотрудничество электромагнитных ротора и полей статора.
При работе ПЭД происходит «проскальзывание» подвижной части и ПЭ относительно друг друга, что ведет к их изнашиванию, понижению КПД, и точности отработки перемещений, параметров и нестабильности характеристик ПЭД при действии дестабилизирующих факторов (среды, нагрузки).
В диапазоне мощностей (1-10 Вт) ПЭД имеет последовательность преимуществ:
— более высокие динамические особенности;
— высокую разрешающую свойство по перемещению;
— в 1.5-2 лучшие массогабаритные показатели;
— повышенную технологичность изготовления (на 20-30%);
— отсутствие влияния на работу ПЭД электромагнитных полей.
Момент развиваемый низкоскоростными ПЭД достигает 10 Н*М.
КПД ПЭД может быть около 85%.
Частота вращения достигает 105 мин-1 .
Мощность ПЭД лежит в пределах 3-50 Вт.
ПЭД ударного типа имеют громадные момент вращения и КПД, чем ПЭД волнового типа.
Двигатели обоих типов смогут быть как реверсивными так и не реверсивными.
На рисунке представлена конструкция пьезоэлектрического двухкоординатного привода для движения предметного столика оптического микроскопа.
1- предметная плита; 2- шариковые опоры; 3- основание; 4,5 – пьезокерамические кольца, оси которых находятся под углом 900; кольца 4 и 5 контактируют с плитой 1 при помощи башмаков 6.
Кольца трудятся поочередно: промежуток времени перемещения по одной оси соответствует промежутку холостого хода по второй координате.
Амплитуда импульсов питания привода определяет величину шага перемещения столика, частота следования импульсов определяет скорость перемещения столика.
|
| Рисунок 49– Пьезоэлектрический двухкоординатный привод. |
ПЬЕЗОПЛЕНКА ПВДФ
Пьезопленка из поливинилиден дифлюорида (ПВДФ) выпускается в страницах различной площади и толщины. Это разрешает ее применять конкретно в разных типах датчиков либо применять целый лист, к примеру для громкоговорителей.
Металлизация пьезопленки возможно выполнена посредством эластичной серебряной краски, или напыленным металлом. Пьезопленка с металлизацией на эластичной серебряной краске используется тогда, в то время, когда пьезопленка употребляется в условиях механического действия. Такая металлизация кроме этого позволяет изготавливать электроды по спецификации клиента, и также, лучше приспособлена для крепления проводников. Узкая напыленная металлизация более хрупка, и употребляется в тех случаях, в то время, когда требуемое соотношение сигнала к шуму диктует наличие весьма маленькой массы электродов. Обычный напыленный бронзово-никелевый сплав владеет хорошей стойкостью и проводимостью к оскидантам. По желанию клиента возможно выполнено напылением золотом.
БАРСУКОВ Р.В.
А К У С Т О Э Л Е К Т Р О Н И К А
(КУРС ЛЕКЦИЙ)
Бийск 2005