Основные типы пьезокерамических преобразователей технологического назначения

Основу технологических пьезокерамических преобразователей составляют один или несколько пьезоэлементов, объединенных в группы, электрически и механически связанных между собой. Как правило, технологические пьезокерамические преобразователи используют обратный пьезоэлектрический эффект (деформация материала пи приложении электрического поля).

По назначению технологические пьезокерамические преобразователи делят на излучатели и движители (устройства перемещений).

По виду воздействующего сигнала – настатические (квазистатические), резонансныеиширокополосные.

В статическом (или квазистатическом) режиме технологические пьезокерамические преобразователи (ТПП) используются в качестве движителей (микроприводов).

Излучатели, как правило, работают в резонансном режиме.

По конструкции различают следующие ТПП:

1. Полуволновой без накладок

Рисунок 2.29 - Преобразователь полуволновой без накладок     ,(2.68) где , .

Для титаната бария BaTiO₃ E = 1,1∙10¹¹ Па; ρ = 5,5∙10³ кг/м³.

Для пьезокерамики ЦТ-19, ЦТС-23 E = 0,72∙10¹¹ Па; ρ = 7,3∙10³ кг/м³.

Минимальная толщина керамики определяется условием механической прочности:

, (2.69)

где ρ∙с – волновое сопротивление ПП;

k₀ = 2π/λ₀ – волновое число;

σ_b­ – временной предел прочности керамики при статическом нагружении;

σ – допустимый уровень механических напряжений в П.К.;

P_a’ – допустимая удельная акустическая мощность. Она зависит от конструкции ТПП, рабочей частоты, прочностных характеристик пьезоэлектрическмх материалов и т.д. Обычно P_a’ ~ 10^-1…10² Вт/мм² (для титаната бария P_a’ ≤ 2 Вт/cм², для ЦТС P_a’ ≤ 15 Вт/см²).

Резонансная частота зависит от конструкции П.П. и может лежать в пределах от нескольких Гц до нескольких ГГц. Изготовление сплошного пьезоэлектрического преобразователя (ПП) часто бывает нецелосообразным из-за большой толщины керамики на низких частотах, ее сильного разогрева из-за низкой теплопроводности, высокого напряжения возбуждения. С целью снижения рабочей частоты и улучшения теплоотвода в преобразователях применяют металлические накладки.

2. Четвертьволновой ПП с металлической накладкой

Рисунок 2.30 – Преобразователь четвертьволновой с металлической накладкой

. (2.70)

3. Полуволновой с накладкой

Рисунок 2.31 – Преобразователь полуволновой с металлической накладкой

. (2.71)

Рассмотренные схемы применяются на ВЧ (440, 880, 1760 кГц).

Многослойный ПП

На НЧ (18, 22, 44, 66 кГц) применяются многослойные преобразователи типа сэндвич (пакет Ланжевена рис.2.32). При этом улучшаются условия теплоотвода. Металлические накладки действуют как добавочный излучатель и значит снижают резонансную частоту преобразователя.

Рисунок 2.32 – Преобразователь многослойный.

1,2 – накладки металлические, 3 – пьезоэлемент.