Пьезокерамические (пьезопленочные) излучатели звука
Среди значительного разнообразия электроакустических преобразователей отдельный сектор занимают отличающиеся от классических конструкций пьезопленочные (прежнее название пьезокерамические) вариации излучателей.
В основе таких изделий лежит пьезоэлектрическом эффект, обнаруженный братьями Кюри (Пьер и Жак) в 1880 году. Суть эффекта заключается в образовании электрозарядов на гранях кристаллов. В зависимости от выбора кристалла (кварц, турмалин или сегнетова соль) электрические заряды спровоцируют либо смещение, либо изгибание, либо кручение твердого тела. Наблюдается и эффект в обратную сторону. При воздействии на пьезокристалла электричеством фиксируется деформация кристалла: он удлиняется, изгибается или скручивается.
Данные физические явления были успешно положены в основу создания целого ряда приборов. В 20-40 годы прошлого столетия пьезопленочные излучатели применялись в звукоснимателях, микрофонах и прочих ультраакустических преобразователях.
Осуществлялись изыскания и на предмет возможности применения эффекта в излучателях акустических конструкций, в их звуковом диапазоне частот. Исследования, проводимые в США, Японии и РФ, на основе титаната бария и цирконата-титаната свинца со стронцием и ниобием были созданы пьезокерамические материалы, применяемые в аудиоаппаратуре.
Конструктивные особенности громкоговорителя
Пьезокерамика была чрезвычайно интересна для создания целой линейки высокочастотных громкоговорителей, а также громкоговорителей для оповещения. Причина такой популярности в простоте конструкции, высоком уровне чувствительности на фоне отсутствия магнитных цепей. Однако во внимание необходимо было принимать резонансную частоту пьезоэлемента, которая зависит от радиуса и толщины изделия:
где, Е — модуль Юнга, плотность и коэффициент Пуассона, t — толщина изделия, r — радиус.
Для того, чтобы добиться существенно меньшей частоты резонанса, необходимо с одной стороны уменьшить толщину (t) изделия, а с другой увеличить радиус (r). Однако размеры изделия ограничены конструкцией динамиков. Остается продолжать работы над уменьшением толщины пьезоэлементов и подбором специальных конфигураций.
Производство и применение
Целый ряд компаний успешно разрабатывали акустические системы с высокочастотными пьезоизлучателями, но признанным лидером в данной области остается компания Motorola.
Изготовление пьезокерамики осуществляется на основе спонтанной поляризации в кристалле при определенных температурах (сегнетоэлектричество). Двуокись титана и окись бария смешиваются в измельченном виде в соответствующих пропорциях. Далее следует процесс химического синтеза, происходящий в температурном диапазоне 900–1300°С.
При методе осаждения из водных растворов, вследствие оптимального перемешивания компонентов, удается снизить термообработку до 750-1000°С. В результате, получившийся синтезированный материал выливается под давлением в заготовки заданной конфигурации. Также применяется метод прессования. В завершении заготовки подвергаются температурному обжигу для достижения необходимых свойств будущих пьезоэлементов.
Область применения пьезоэлектрических материалов чрезвычайно широка. Это и медицинские приборы и инструменты, оборудование для полупроводникового производства, контроль связи и целый спектр измерительных приборов. Выделяют четыре основные категории применения пьезоэлементов: генераторы, силовые приводы, преобразователи и сенсоры.
При создании пьезоизлучателей, предназначенных для работы в звуковом диапазоне частот, различают три основных направления дальнейшего развития:
- создание рупорных высокочастотных громкоговорителей на основе пьезокерамических биморфных элементов. Создав целую линейку акустических систем, компания Motorola признана лидеров в данном направлении;
- создание акустических систем на основе пьезопленочных высокочастотных динамиках(Pioneer и Audax являются ведущими компаниям в этом направлении);
- создание высокочастотных и низкочастотных динамиков на основе мягких пьезокерамических материалов — толстопленочных PZT.
Современные достижения в области изучения возможностей пьезокерамических материалов позволяется утверждать, что это задел станет основой для существенного продвижения в создании новых конструкций излучателей.
