Zaika dis 2016

1. МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
На правах рукопису
ЗАЇКА ВАСИЛЬ МИХАЙЛОВИЧ
УДК 681.518.3
МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПРОЕКТУВАННЯ П'ЄЗОКЕРАМІЧНИХ
ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДЛЯ КОМП'ЮТЕРНИХ АКУСТИЧНИХ
ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ
05.13.05 - комп’ютерні системи та компоненти
Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Науковий керівник
Бондаренко Юлія Юріївна
кандидат технічних наук, доцент
Черкаси 2016

2. 2
ЗМІСТ
стр.
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ ………..…………
ВСТУП……………………………………………………………………..
РОЗДІЛ 1. СТАН ПРОБЛЕМИ ДОСЛІДЖЕННЯ П’ЄЗО-
ЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТА МЕТОДІВ ОЦІНКИ ЇХ
ПАРАМЕТРІВ………………………….………………………….…..…...
1.1. Фізичні принципи дії, класифікація відомих п’єзокерамічних
електроакустичних перетворювачів.………………………………….…...
1.2. Електроакустичні перетворювачі …………………………..…….…
1.3. Основні вимоги, що пред'являються до п’єзокерамічних
перетворювачів………………………………………………..…..…....…..
1.4. Методи синтезу п’єзокерамічних перетворювачів………..….…….
1.5. П’єзокерамічні перетворювачі як компоненти комп'ютерних
систем ……………………………………………………………...…….…
1.6. Структурна схема перетворювача енергії на основі
п’єзокерамічного перетворювача……………………………..……..…...
1.7. Висновки до розділу 1……………………………………….…..…...
РОЗДІЛ 2. ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З ЧВЕРТЬ-
ХВИЛЬОВИМИ РЕЗОНАТОРАМИ……....................................................
2.1. Застосування в електроакустичних перетворювачах чверть-
хвильових резонаторів………………………………………………………
2.2. Комп'ютерне моделювання акустичного резонатора………….…...
2.3. ЕАП з четвертьхвильовим резонатором і фазоінвертором…….…..
2.3.1. Вибір необхідного об’єму в повітряному резонаторі.....................
2.4. Метод додаткового коливального контура………………….….…..
2.5. Висновки до розділу 2…………………………………………..…....
5
6
12
13
21
28
30
34
38
40
41
41
45
47
54
55
64

3. 3
РОЗДІЛ 3. ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З
ОБ’ЄМНИМИ РЕЗОНАТОРАМИ ………………………….…….....…...
3.1. Метод підвищення акустичної потужності за допомогою
об'ємнного резонатора ……………………………………………..……...
3.2. Електроакустичний перетворювач з циліндричним
п’єзоелементом………………………………………………………....…..
3.3. Розрахунок передавальної характеристики електроакустичного
перетворювача……………………………………………………..…..…...
3.4. Розрахунок коефіцієнта передачі концентратора акустичного
випромінювання………………………………………………….…..…..…
3.5. Висновки до розділу 3………………………………………….....…..
РОЗДІЛ 4. ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З
ПРОСТОРОВО КУТОВИМ ЗВ'ЯЗКОМ………………………..…….…..
4.1. Просторова енергосилова структура п’єзокерамічних датчиків…...
4.2. Просторово-енергосилова структура п'єзоелементів випроміню-
вачів звуку. Просторово-кутова взаємодія електричних полів……...…..
4.3. Чисельне моделювання п'єзокерамічного перетворювача……..…..
4.4. Просторовий електромеханічний зворотний зв'язок…………….….
4.5. Висновки до розділу 4………………………………………….......…
РОЗДІЛ 5. РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ КОМП’ЮТЕРНОЇ
АКУСТИЧНОЇ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ……….……………......
5.1. Визначення діаграми спрямованості акустичної вимірювальної
системи …………………………………………………………………...…
5.2. Покращення характеристик акустичного далекомірного
датчика…………………………………………………………………....…
5.3. Дослідження частотної характеристики електроакустичного
п’єзокерамічного перетворювача в режимі випромінювання
акустичних (ультразвукових) хвиль………….…..………………….……
65
65
73
78
84
98
99
99
109
120
123
128
129
129
133
147

4. 4
5.4. Висновки до розділу 5……………………….…………………..……
ВИСНОВКИ.....…………………………………………………………..…
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………..……
ДОДАТОК А. - Акти про впровадження результатів дисертаційного
дослідження …………………………………………………………..….....
ДОДАТОК Б. - Лістинг програми роботи стенду для дослідження
діаграми спрямованості……………………………………………..……...
ДОДАТОК В. - Блок-схема програми для аналізу даних на
персональному комп’ютері……….…………………………………..……
154
155
157
174
179
202

5. 5
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ
ПП – п'єзокерамічний перетворювач
ПЕАП – п'єзокерамічний електроакустичний перетворювач
БПЕ – біморфний п'єзокерамічний перетворювач
ЕАП – електроакустичний перетворювач
КЕАП – кільцевий електроакустичний перетворювач
АЧХ – амплітудно - частотна характеристика
ФЧХ – фазо - частотна характеристика
ПК – персональний комп’ютер
ПКМ – п'єзокерамічні матеріали
ЦТС – цирконат - титанат свинцю
ККД – коефіцієнт корисної дії
ЕОМ – електронно обчислювальна машина
ДЖ – джерело живлення
БВ – блок введення
ВБ – вихідний блок
ЗЗ – зворотний зв'язок
МК – мікроконтролер
КС – коливальна система
ПЕСС – просторово - енергосилова структура
ПКВЕП – просторово - кутова взаємодія електричних полів
УП – узгоджуючий підсилювач
ПН – підсилювач напруги
СПД – система передачі даних
АД – акустичний датчик

6. 6
ВСТУП
Актуальність теми. Тема дисертаційного дослідження визначається
необхідністю вирішення задачі контролю, вимірювання та перетворення
параметрів динамічних процесів у приладах, а також вимірювальних і
керуючих комп’ютерних системах, де широко застосовуються п'єзокерамічні
електроакустичні перетворювачі (ПЕАП). Ці перетворювачі є найбільш
ефективними приймачами і випромінювачами звукових і ультразвукових
акустичних хвиль. Завдяки цьому ПЕАП є невід'ємною частиною
ультразвукових вимірювальних систем різних комп’ютерних комплексів. Для
проектування ПП, що відповідають сучасним вимогам
конкурентоспроможності комп'ютерних систем, важливим етапом є розробка
та вдосконалення методів підвищення рівня звукового тиску, зменшення
резонансної та розширення робочої смуги частот цих перетворювачів.
Відмічено, що значний вклад у теорію і практику проектування ПП
внесли В. В. Богородський, Р. Г. Джагупов, В. И. Домаркас, Р-Й. Ю. Кажис,
А. А. Владишаускас, В. Б. Жуков, В. Р. Карлаш, В. Кеді, У. Мезон,
А. Г. Лейко, Г. М. Свердлін, А. І. Трофімов, М. О. Шульга, М. Д. Кошовий,
В. С. Ситніков, М. П. Мусієнко, В. М. Шарапов і учні його наукової школи
п’єзотехніки та багато інших вітчизняних та іноземних учених.
У результаті роботи цих учених узагальнено результати як
практичних, так і теоретичних досліджень різних видів акустичних
перетворювачів, тим не менш, методи проектування, конструкції і схеми
перетворювачів потребують подальшого вдосконалення в зв’язку з
постійною зміною вимог щодо характеристик ПП.
Отже, вдосконалення характеристик існуючих п'єзокерамічних
електроакустичних перетворювачів, котрі застосовуються в комп'ютерних
вимірювальних системах, є актуальною науковою задачею, яка визначає тему
дисертаційної роботи.

7. 7
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота
проводилася відповідно до науково-дослідних робіт: «Розробка нової
технології проектування і створення на її основі малогабаритних
низькочастотних п’єзокерамічних перетворювачів для гідроакустики,
електроакустики, комп'ютерної техніки, приладобудування (№ 0113U003349)
і «Розробка та дослідження нових методів синтезу (проектування)
мономорфних перетворювачів з використанням просторово-кутової взаємодії
вектора електричного поля і вектора поляризації» (№ 0115U000716), де
здобувач брав участь в якості виконавця частини розробки.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення
ефективності комп'ютерних акустичних вимірювальних систем шляхом
розробки нових та вдосконалення існуючих методів та засобів проектування
п'єзокерамічних перетворювачів.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- розробити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів за
допомогою додаткових елементів шляхом використання в якості додаткових
елементів чвертьхвильових та об'ємних резонаторів та дослідити
ефективність їх використання з метою підвищення рівня звукової
потужності;
- удосконалити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів
за допомогою додаткових елементів шляхом використання трансформаторної
розв’язки для створення в мономорфних п’єзоелементах згинальних
коливань;
- удосконалити метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів
за допомогою просторово-кутового зв'язку та дослідити ефективність його
впливу на характеристики мономорфних п’єзокерамічних перетворювачів,
зокрема для створення в них згинальних коливань;
- підвищити ефективність визначення відстані шляхом розробки і
дослідження комп’ютерної акустичної вимірювальної системи на основі
отриманих зразків перетворювачів.

8. 8
Об'єктом дослідження є процеси перетворення електричної напруги
в акустичний сигнал в п'єзокерамічних перетворювачах.
Предметом дослідження є методи та засоби проектування
п'єзокерамічних електроакустичних перетворювачів для комп'ютерних
акустичних вимірювальних систем.
Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач
удосконалення методів проектування ПП використовувалися математичний
апарат теорії коливань, метод Релея-Рітца, метод електромеханічних
аналогій, комп’ютерне імітаційне моделювання та експериментальні
дослідження зразків перетворювачів. Формулювання і чисельне розв’язання
задачі акустики і електропружності для визначення амплітудно-частотних
характеристик (АЧХ) і рівня акустичного тиску виконувалося програмними
засобами пакета Comsol Multiphysics. Для аналізу перетворювачів
використані також метод фігур Хладні та кінцево-елементний аналіз у
програмі FemLab 3.5. Вірогідність отриманих наукових результатів і
висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з
експериментальними даними.
Наукова новизна отриманих результатів:
- уперше розроблений метод проектування п'єзокерамічних
перетворювачів за допомогою додаткових елементів шляхом використання
об'ємних та чвертьхвильових резонаторів із фазоінверторами;
- удосконалено метод проектування п'єзокерамічних перетворювачів
за допомогою додаткових елементів шляхом використання трансформаторної
розв’язки для створення в мономорфних п’єзоелементах згинальних
коливань;
- отримав подальший розвиток метод проектування п’єзокерамічних
перетворювачів із урахуванням просторово-кутового зв'язку п'єзоелемента,
зокрема для випромінювачів низькочастотних електроакустичних хвиль на
основі мономорфних п'єзоелементів;

9. 9
- удосконалено методи проектування п'єзокерамічних перетворювачів
для комп’ютерних акустичних вимірювальних систем, що дозволило
покращити їх характеристики шляхом використання лінійної матриці
ультразвукових приймачів на основі розроблених ПЕАП.
Наукова та інженерно-технічна новизна дисертаційної роботи
підтверджується публікаціями та патентами України на корисні моделі.
Практичне значення отриманих результатів:
- удосконалені методи і моделі, схемні і конструктивні рішення
розширили науково-технічну базу проектування ПЕАП;
- удосконалено метод проектування перетворювачів –
випромінювачів звуку шляхом врахування просторової енергосилової
структури п'єзоелемента, що дозволило знизити робочу частоту
перетворювачів на 40 кГц та підвищити в 10 разів рівень звукового тиску;
- розроблено та досліджено схеми збудження перетворювачів –
випромінювачів у вигляді циліндричних п'єзоелементів, що дозволило
збільшити рівень створюваного звукового тиску на 30 дБ;
- розроблено нові схеми підключення мономорфних п'єзоелементів,
що забезпечують у 4 рази більші згинальні коливання, які дозволили на 20-25
дБ збільшити рівень звукового тиску;
- запропонована та експериментально підтверджена доцільність
підключення до п’єзоелемента додаткових електромеханічних контурів,
зокрема чвертьхвильових резонаторів для розширення смуги пропускання на
2 кГц і збільшення акустичної потужності на 20-40 дБ;
- в якості другого контуру для розширення смуги пропускання на 800
Гц, а також підвищення рівня звукового тиску на 30 дБ, запропоновано
застосовувати додаткові коливальні системи, а саме, об'ємні резонатори;
- для розширення смуги робочих частот на 6 кГц та підвищення рівня
звукового тиску на 28 дБ (25 раз), запропоновано вводити додатковий
електричний коливальний контур за допомогою індуктивності та об'ємного
резонатора;

10. 10
- розроблено стенд, який дозволяє проводити дослідження
характеристик, зокрема діаграми спрямованості, п'єзокерамічних
перетворювачів, що працюють на частотах до 60 кГц, з передаванням
результатів вимірювання на ПК;
- розроблена комп’ютерна акустична вимірювальна система з
використанням лінійної матриці ультразвукових приймачів на основі
розроблених ПЕАП, що дозволяє підвищити ефективність визначення
відстані до об’єкту до 10 разів (на відстані в 2 м) у порівнянні з існуючими
аналогами;
- результати досліджень впроваджено у виробництво, а саме, у ПАТ
«Укрп'єзо» та на державному підприємстві НВК «Фотоприлад», а також у
навчальному процесі в Черкаському державному технологічному
університеті.
Особистий внесок здобувача. Основні результати, що містяться в
дисертаційній роботі, автором отримані самостійно. За результатами
досліджень опубліковано 31 роботу, в тому числі 6 одноосібних праць [7, 11,
12, 13, 24, 30] та 25 праць у співавторстві. У роботах, опублікованих у
співавторстві, дисертанту належить: розробка та дослідження
перетворювачів з об’ємними резонаторами [1, 5, 18-20]; методи синтезу
п’єзокерамічних перетворювачів, удосконалений метод додаткових елементів
[2, 10, 21-25]; розробка нових зразків п’єзокерамічних перетворювачів
[3, 6, 9, 18-31]; методи покращення характеристик циліндричних
п’єзокерамічних перетворювачів [4, 13, 22-31]; експериментальні
дослідження діаграм спрямованості п’єзокерамічних датчиків у схемах
ультразвукових далекомірів [8]; дослідження АЧХ перетворювачів у
залежності від кута між вектором поляризації та вектором напруженості
електричного поля [14-16]; встановлення оптимальних співвідношень між
опорами та ємностями п’єзоелементів у ланцюзі зворотного зв’язку [17].

11. 11
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної
роботи доповідалися й обговорювалися на IV Міжнародній молодіжній
науково-технічній конференції «Людина і космос» (11-13.04.2012 р.,
Дніпропетровськ); на науково-технічної конференції «Фізика, електроніка,
електротехніка ФЕЕ-2014», (21-26.04.2014 р., Суми); на II міжнародній
науково-практичній конференції «Інформаційні технології в освіті, науці і
техніці ІТОНТ-2014» (24-26.04.2014 р., Черкаси); на 10-й міжнародній
молодіжній науково-технічній конференції «Современные проблемы
радиотехники и телекоммуникаций РТ-2014» (12-17.05.2014 р., Севастополь);
на ІІ міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатизації»
(25-26.11.2014 р., Черкаси–Тольятті); на науково-технічній конференції
«Фізика, електроніка, електротехніка ФЕЕ-2015» (20-25.04. 2015 р., Суми); на
ІІІ міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатизації»
(12-13.11.2015 р., Черкаси – Баку – Бельсько-Бяла – Полтава); на IIІ
міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні технології в
освіті, науці і техніці ІТОНТ-2016» (12-14.05.2016 р., Черкаси).
Публікації. Результати дослідження опубліковані у 31 науковій
роботі, в тому числі в 9-ти статтях у фахових виданнях (дві з яких у
закордонних виданнях), 8-ми доповідях на конференціях та 14-ти патентах
України на корисні моделі.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу,
п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків.
Загальний обсяг дисертації складає 203 сторінки, в тому числі 153 сторінки
основної частини. Робота містить 94 рисунки, 9 таблиць, 3 додатка.

12. 12
РОЗДІЛ 1
СТАН ПРОБЛЕМИ ДОСЛІДЖЕННЯ П’ЄЗОКЕРАМІЧНИХ
ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТА МЕТОДІВ ОЦІНКИ ЇХ ПАРАМЕТРІВ
П'єзокерамічні електроакустичні перетворювачі (ПЕАП) є найбільш
ефективними приймачами і випромінювачами звукових і ультразвукових
акустичних хвиль в електро- і гідроакустиці. Завдяки цьому вони є
невід'ємною частиною ультразвукових вимірювальних систем різних
комп’ютерних комплексів. Проблеми технічної акустики визначаються
широким колом прикладних і теоретичних завдань. При цьому основні
вимоги до створення нових методів і засобів в електроакустиці формують
такі сфери діяльності, як дослідження світового океану, задачі навігації,
сейсмології, медицини, а також технічна реалізація акустичних пристроїв
різного призначення.
Така ситуація обумовлює необхідність побудови фізичних моделей
формування і реєстрації звукових полів, а також визначення технічних
прийомів і рішень при побудові акустичних перетворювачів.
Незмінно актуальними залишаються питання виявлення, визначення
координат і елементів руху, а також класифікація різних підводних об'єктів.
При цьому розвиток технічних систем [1, 2] зумовив значні вимоги до
гідроакустичних пристроїв, зокрема: пеленгацію великих відстаней [3] з
підвищеною точністю, що привело до переходу в область низьких частот
[4-7]. Це, в свою чергу, призвело до збільшення масо-габаритних
характеристик акустичних перетворювачів і гідроакустичних антен на їх
основі [8-11].
Другий напрям, обумовлений вимогами підвищення точності
пеленгації об’єктів різної фізичної природи, пов'язаний з розвитком і
вдосконаленням апаратури гідроакустичних систем. [11-14].

13. 13
Таким чином, у сучасній гідроакустиці існує ряд питань, які
вимагають динамічного, сучасного і якнайповнішого їх вирішення.
Для визначення місця описаних у даній роботі методів і пристроїв
необхідно провести аналіз відомих п’єзоперетворювачів, фізичних принципів
їх функціонування, методів управління їх характеристиками.
1.1. Фізичні принципи дії та класифікація відомих
п'єзокерамічних електроакустичних перетворювачів
У більшості п’єзокерамічних електроакустичних перетворювачів
(ПЕАП) має місце подвійне перетворення енергії: електромеханічне, в
результаті якого частина електричної енергії, що підводиться до
перетворювача, переходить в енергію коливань деякої механічної системи, і
механоакустичне, при якому за рахунок коливань механічної системи в
середовищі створюється звукове поле (рис. 1.1).
Рис 1.1. Перетворення енергії в ПЕАП
Найбільш поширені ПЕАП лінійні, тобто задовольняють вимозі
неспотвореної передачі сигналу, а отже, можуть працювати як
випромінювачі і як приймачі та підкорятися принципу взаємності.
Проте існують електроакустичні перетворювачі (ЕАП), що не мають
механічної коливальної системи і створюють коливання безпосередньо в
середовищі, наприклад, електроіскровий випромінювач, котрий збуджує
інтенсивні звукові коливання в результаті електричного розряду в рідині. До
особливого класу ЕАП відносяться приймачі звуку, принцип роботи яких
заснований на зміні електричного опору чутливого елементу під впливом
звукового тиску, наприклад: вугільний мікрофон або напівпровідникові
1 2 3
P, хU, i F, х

14. 14
приймачі, в яких використовується так званий тензорезистивний ефект -
залежність опору напівпровідника від механічної напруги.
За видом фізичного ефекту, що лежить в їх основі (принципом дії),
ЕАП можуть бути розбиті на наступні групи:
- електродинамічні перетворювачі, дія яких заснована на
електродинамічному ефекті (випромінювачі) і електромагнітній індукції
(приймачі), наприклад, гучномовці, мікрофони;
- електростатичні, дія яких заснована на зміні сили тяжіння
обкладок при зміні напруги і на зміні заряду або напруги при відносному
переміщенні обкладок конденсатора (гучномовці, мікрофони);
- п’єзокерамічні перетворювачі, засновані на прямому і
зворотному п'єзоефекті;
- електромагнітні перетворювачі, засновані на коливаннях
феромагнітного якоря в змінному магнітному полі і зміні магнітного потоку
при русі якоря;
- магнітострикційні перетворювачі, що використовують прямий і
зворотний ефект магнітострикції (рис. 1.2).
За середовищем, в якому працюють ЕАП, їх можна розділити на ЕАП
для роботи в повітрі, у воді (гідроакустичні перетворювачі) і для створення
акустичних коливань у твердих тілах (перетворювачі для неруйнуючого
контролю). В окрему групу можна виділити перетворювачі, що
використовуються в медицині для ультразвукової інтроскопії (УЗІ), які в
даній роботі не розглядаються [1].
Дана робота присвячена п'єзоелектричним електроакустичним
перетворювачам (ПЕАП), що працюють на випромінювання і прийом у
повітряному середовищі.

15. 15
Рис. 1.2. Класифікація ЕАП за принципом дії (фізичним ефектом)
Рис. 1.3. Класифікація ЕАП за середовищем, у якому вони працюють
Перетворювачі-випромінювачі оцінюють за наступними якісними
показниками роботи [15]:
- акустична потужність Ра - кількість звукової енергії, що
випромінюється перетворювачем за одиницю часу. Величину Ра, віднесену
до одиниці площі випромінюючої поверхні, називають питомою акустичною
потужністю Рпит;
Електроакустичні
перетворювачі
Електродинамічні
(гучномовці)
Електростатичні
(гучносовці, мікрофони)
Електромагнітна
індукція (мікрофони)
П’єзокерамічні
(випромінювачі і
приймачі)
Електромагнітні
Магнітострикційні
Електроакустичні
перетворювачі
Перетворювачі для
роботи в повітряному
середовищі
Гідроакустичні
перетворювачі
Перетворювачі
для медицини
Перетворювачі для
неруйнівного контролю

16. 16
- електроакустичний ККД За - відношення випромінюваної
акустичної потужності до активної електричної потужності Ре, спожитої
перетворювачем від генератора збудження;
- вхідний електричний опір Z - відношення прикладеної напруги Uк до
сили струму I в ланцюзі випромінювача;
- характеристика спрямованості оцінює просторовий розподіл поля і є
відношенням створюваного випромінювачем звукового тиску в дальньому
полі до максимального значення, залежно від кутових координат точки
спостереження;
- коефіцієнт осьової концентрації Но визначають відношенням
інтенсивності звуку, що створюється випромінювачем по напряму головного
максимуму в точці дальнього поля до інтенсивності ненаправленого
випромінювача з такою ж випромінюваною потужністю на тій же відстані.
Перетворювачі - приймачі характеризують за наступними
показниками роботи:
- чутливість М визначається напругою холостого ходу на виході
перетворювача;
- електричний опір Z встановлює співвідношення між напругою, що
створюється на виході приймача і силою струму в його ланцюзі;
- характеристика спрямованості - це нормований по відношенню до
максимуму кутовий розподіл чутливості приймача;
- коефіцієнт концентрації К0 - відношення квадрата чутливості в
максимальному напрямі до середнього квадрата чутливості на всіх
напрямках. Для оборотних перетворювачів коефіцієнти концентрації в
режимах випромінювання і прийому чисельно рівні.
Ефективність приймача також оцінюють за питомою чутливістю
/ iпчМ М Z (тут М - чутливість холостого ходу; iZ - модуль внутрішнього
(вихідного) опору приймача), що характеризує його завадостійкість до шумів

17. 17
електричних ланцюгів. Всі перераховані параметри перетворювачів залежать
від частоти.
Принцип дії п’єзокерамічних перетворювачів заснований на
використанні прямого або зворотного п’єзокерамічних ефектів. Суть прямого
п’єзокерамічного ефекту полягає в електричній поляризації певного класу
діелектриків при механічній напрузі в їх матеріалі. Зворотний
п’єзокерамічний ефект характеризується тим, що електрична поляризація
викликає механічну напругу в п'єзоматеріалі або зміни геометричних
розмірів п'єзоелемента.
Особливістю п’єзокерамічного ефекту є знакочутливість, тобто зміна
знаку заряду при переході від стискування кристала до розтягування і зміна
знаку деформації при зміні напряму поляризуючого поля.
Слід розрізняти явище п'єзоелектрики і близьке до нього явище
електрострикції. Суть останнього полягає також у поляризації діелектрика під
дією прикладеної зовнішньої сили, проте у випадку електрострикції
поляризація пропорційна квадрату прикладеної механічної напруги і не
змінює знак при зміні знаку прикладеної сили [15-18].
Спорідненим для цих фізичних ефектів є піроелектрика, суть якої
полягає в поляризації діалектрика внаслідок нагрівання.
Характеристики п'єзокерамічних матеріалів:
П'єзокерамічними матеріалами (ПКМ) є сегнетоелектричні з'єднання
або їх тверді розчини, отримані синтезом з суміші різних оксидів і солей [19].
Залежно від призначення, ПКМ підрозділяються таким чином:
1. «Сегнетом’які» ПКМ. Застосовуються для виготовлення
високочутливих перетворювачів, що працюють без жорстких вимог щодо
стабільності параметрів до дії дестабілізуючих чинників (підвищених
температур, електричних і механічних полів).

18. 18
ПКМ загального призначення. До них відносяться матеріали ЦТС-19 і
ЦТС-19(цт). ЦТС-19(цт) є модифікацією ЦТС-19 з підвищеними
(рекордними для даного матеріалу) значеннями п’єзокерамічних модулів
(dik). Це підвищення досягнуте за рахунок заміни сировинних компонентів
оксиду цирконію і оксиду титану на спеціально розроблену високоактивну
сировину - титанат цирконію (цт).
ПКМ спеціального призначення зі зниженою діелектричною
проникністю і високою чутливістю в режимі прийому. До них відноситься
матеріал ЦТС-36, що випускається, зазвичай, у вигляді горячепресованих
блоків і призначений, головним чином, для виготовлення перетворювачів
ультразвукових ліній затримки.
ПКМ спеціального призначення з підвищеними значеннями
діелектричної проникності та п'єзомодулей. До них відноситься матеріал
НЦТС-2. Ці матеріали призначені для використання в телефонних пристроях
з підвищеною чутливістю.
2. «Сегнетожорсткі» ПКМ. Застосовуються для виготовлення
перетворювачів, що працюють у режимі прийому і випромінювання в умовах
дії сильних електричних полів або механічної напруги. До них відносяться
матеріали ЦТС-23, ЦТССт-3 (цт) і ЦТБС-7. Матеріали ЦТС-23 і ЦТССт-3
(цт) добре зарекомендували себе при використанні в п'єзоелементах систем
запалення і гідроакустики. ЦТССт-3 (цт) і ЦТБС-7 можна рекомендувати для
виготовлення п'єзотрансформаторів і ультразвукових випромінювачів
підвищеної потужності.
3. ПКМ для частотно-селективних пристроїв. Застосовуються для
виготовлення п'єзоелементів (що володіють підвищеною температурною і
тимчасовою стабільністю частотних характеристик) частотно-селективних
пристроїв на об'ємних і поверхнево акустичних хвилях.
Матеріали для частотно-селективних пристроїв на об'ємних хвилях
планарної моди коливань. Застосовуються в основному при створенні

19. 19
фільтрів на дискретних п’єзоелементах. До них відносяться матеріали
ЦТС-38, ЦТС-39 і ЦТС-40.
Матеріали для частотно-селективних пристроїв на об'ємних хвилях
моди коливань стискування-розтягування по товщині. Представниками цієї
підгрупи є матеріали ЦТС-35 і ЦТС-35У. ЦТС-35У випускається у вигляді
горячопресованих блоків.
Матеріали для частотно-селективних пристроїв на об'ємних хвилях
моди коливань збудження по товщині. Представником цієї підгрупи є
матеріал ЦТС-35. Матеріали цих підгруп використовуються при створенні
монолітних фільтрів для частотно-модульованих сигналів на частоти до
10 МГц.
Матеріали для частотно-селективних пристроїв на поверхневих
акустичних хвилях. До цієї підгрупи відноситься матеріал ЦТС-33, що
виготовляється у вигляді горячопресованих блоків. Вони застосовується при
розробці фільтрів на частоти до 40 МГц.
Високотемпературні ПКМ. Високотемпературні ПКМ
використовуються для виготовлення п'єзоелементів, що працюють при
температурах не менше 250°С. До цієї групи входять матеріали ЦТС-21,
ЦТС-26, ТНаВ-1 і ТНВ-1, що забезпечують підвищені робочі температури
п'єзоелементів (250-750°С). Для підвищення температурної стабільності
п'єзомодуля (d33) розроблені модифікації матеріалів ЦТС-26 і THaB-1,
ЦТС-26М і THaB-lM.
Великий клас п'єзоперетворювачів можна класифікувати за
наступними ознаками:
1. за типом п'єзоефекту (з використанням прямого п'єзоефекту, з
використанням зворотного п'єзоефекту (резонансні), з використанням
одночасних прямого і зворотного п'єзоефектів);

20. 20
2. за видом фізичних ефектів (термочутливі, тензочутливі,
акусточутливі, гірочутливі, контактні (що використовують контактну
жорсткість і фактичну площу контакту);
3. за видом коливань (за лінійним розміром, радіальні, згинальні,
крутильні, зсувні, на поверхнево акустичних хвилях; комбіновані);
4. за кількістю п'єзоелементів (моноелементні, біморфні:
симетричні, асиметричні, триморфні: планарні і компланарні);
5. за вживаним матеріалом (монокристалічний кварц,
монокристалічний ніобат літію;
6. за призначенням (для вимірювання динамічного тиску і зусиль;
для вимірювання відстаней, швидкості і прискорень; для вимірювання
параметрів вібрацій; для вимірювання статичного тиску і зусиль; для
вимірювання параметрів удару; для вимірювання звукового тиску; для
медицини: для ультразвукових томографів, для вимірювання пульсу, для
вимірювання тонів Короткова, для урології, для офтальмології; для
вимірювання вологості; для вимірювання в'язкості; для гідроакустики; для
гіроскопів; для газоаналізаторів; для вимірювання температури; для
вимірювання контактної жорсткості; для вимірювання фактичної площі
контакту; для вимірювання магнітних величин; для вимірювання в оптиці;
для вимірювання мікропереміщень; для вимірювання концентрації пилу та
ін.).
Похибки п’єзокерамічних перетворювачів визначаються, в основному,
нестабільністю п'єзомодулів або коефіцієнта електромеханічного зв'язку під
дією дестабілізуючих чинників. Тому найбільш поширеним консервативним
методом підвищення точності п'єзоперетворювачів є застосування для їх
виготовлення монокристалічних матеріалів, зокрема кварцу. Основними
перевагами кварцу є висока твердість, стійкість до дії ряду кислот, мале
теплове розширення, надзвичайно висока добротність (105
-106
) і стабільність
(10-3
-10-5
%).

21. 21
Проте коефіцієнт електромеханічного зв'язку кварцу приблизно на
порядок, а п'єзомодулі - на два порядки менше, ніж відповідні параметри у
п'єзокераміки. Крім того, недоліками кварцу є мала діелектрична проникність
і власна ємкість кварцових пластинок, які шунтують ємність кабелю і
вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв, а це значно зменшує чутливість
перетворювачів.
Перспективнішим п'єзоелектричним матеріалом є п'єзокераміка, яка
володіє в порівнянні з такими природними п'єзоелектриками як кварц,
сегнетова сіль, турмалін, високою чутливістю, механічною міцністю,
підвищеною температурною стабільністю [20, 22, 26].
1.2. Електроакустичні перетворювачі
Електроакустичні перетворювачі (ЕАП) можуть бути побудовані на
різних фізичних принципах. ЕАП активно застосовуються в газових, рідких і
твердих середовищах.
Існують [23] механічні, електродинамічні, магнітострикційні,
електростатичні, п’єзокерамічні ЕАП. Оскільки ця черговість відображає
хронологію створення ЕАП, слід зазначити, що найбільше застосування в
газових середовищах на сучасному етапі знайшли п’єзокерамічні
перетворювачі.
П’єзокерамічні перетворювачі, що працюють на випромінювання і
прийом в газових та інших середовищах, конструктивно можуть бути або
тільки випромінювачами і приймачами, або суміщати в собі властивості
приймача і випромінювача одночасно. В останніх виявляється оборотність
видів енергії: електричної в акустичну і навпаки.
П’єзокерамічним, як і магнітострикційним, перетворювачам, що
працюють на повздовжніх коливаннях, властиві порівняно невеликі
амплітуди зсуву на робочій поверхні. Збільшення амплітуд зсувів може бути
досягнуте введенням між поверхнею перетворювача і повітрям додаткового

22. 22
шару узгоджуючої рідини [24, 25] або шару повітря [27, 28], які від робочого
середовища відділяються тонкою акустично прозорою мембраною, як це
показано на рис. 1.4.
Рис. 1.4. П’єзокерамічний перетворювач з узгоджуючим шаром:
1 - узгоджуюча рідина; 2 - мембрана; 3 - п'єзоелемент; 4 - корпус; 5 - задня
кришка
Такі перетворювачі вузькосмугові через резонансні властивості
узгоджуючих шарів, хоча коефіцієнт передачі таких перетворювачів удається
збільшити до 9 разів у порівнянні з перетворювачами, що працюють на
повздовжніх коливаннях без узгоджуючих шарів.
В описі винаходу [29] запропонований п’єзокерамічний
перетворювач, який складється з круглого п’єзокерамічного диска і
концентратора спеціальної форми. На кінці торця концентратора амплітуда
зсувів виходить значної величини, а форма концентратора, що
розширюється, дозволяє уникнути небажаних у цьому випадку паразитних
коливань. З повітрям перетворювач узгоджений за допомогою рупора. Такий
перетворювач використовується в ультразвуковому далекомірі УД-1 [30] як
випромінювач і дозволяє вимірювати відстані від 1 до 5 м. У режимі прийому
в цьому ехолокаторі використовується звичайний п’єзоелемент повздовжніх
коливань, оскільки чутливість вищеописаного перетворювача в режимі
прийому незадовільна. До недоліків такого перетворювача відносяться великі
габарити і вага.

23. 23
Ряд конструкцій вимірювальних перетворювачів описаний в роботі
[31]. Це сферичні і циліндричні перетворювачі, що володіють круговою
діаграмою спрямованості. Вони можуть бути використані для вимірювань у
газових і рідких середовищах, але їх чутливість порівняно низка.
Деякий інтерес представляють п'єзокерамічні перетворювачі, що
працюють на радіальних коливаннях [21]. Це п'єзокерамічні диски і
циліндри. Конструктивно дискові перетворювачі (рис. 1.5) нічим не
відрізняються від перетворювачів, що працюють на повздовжніх коливаннях.
Рис. 1.5. П’єзокерамічний перетворювач радіальних коливань:
1 - п'єзоелемент; 2 - корпус; 3 - прокладка; 4 - задня кришка
При товщині п'єзокерамічного диска менше його діаметру перший
радіальний резонанс перетворювача має нижчу частоту в порівнянні з
частотою резонансних коливань по товщині. Це дозволяє створити
малогабаритні низькочастотні перетворювачі. Інші їх характеристики схожі з
характеристиками перетворювачів, що збуджуються на повздовжніх
коливаннях. Ці перетворювачі успішно використовуються в ультразвуковому
профілографі ґрунту [33].
Циліндричні п’єзокерамічні перетворювачі мають більшу робочу
поверхню, ніж дискові перетворювачі, тому вони володіють і великим
коефіцієнтом передачі в газовому середовищі.

24. 24
Одна конструкція перетворювачів такого типу зображена на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Циліндричний п’єзокерамічний перетворювач:
1 - корпус; 2 - циліндричний п'єзоелемент; 3 - внутрішній відбивач
Цей перетворювач складається з корпусу відбивача 1,
п'єзокерамічного циліндра 2, нерегульованих внутрішніх відбивачів 3.
Ультразвукові хвилі, що випромінюються стінками циліндра 2 і відображені
відбивачами 1, 3, підсумовуються в горловині перетворювача. Основними
недоліками такого перетворювача є мала механічна міцність конструкції.
При жорсткішому кріпленні п'єзокерамічного циліндра коефіцієнт передачі
перетворювача різко падає.
Для прийому і випромінювання ультразвукових коливань у газові
середовища значний інтерес представляють перетворювачі згинальних
коливань. Вони відрізняються досить високим коефіцієнтом
електроакустичної трансформації і дозволяють отримати порівняно великі
амплітуди зсувів.
Принципово існують два методи збудження коливань у пластинах
[33]. Це збудження згинальних хвиль при дії збудливої сили на поверхні
пластинки і дії збудливої сили в середині пластинки. Збудження згинальних
хвиль у середині пластинки має місце в разі, коли пластинка виготовлена з
п'єзокерамічного матеріалу.

25. 25
Залежно від частоти збудження в мембрані можна порушувати
згинальні коливання, які в цьому випадку мають складний розподіл амплітуд
зсувів на поверхні пластини [34, 35].
а б
Рис. 1.7. П’єзокерамічний перетворювач згинальних коливань:
а - з'єднання електродів перетворювача при поляризації, б - з'єднання
електродів працюючого перетворювача
Збудження згинальних хвиль у середині пластинки може бути
здійснене і при використанні електродів певної конфігурації. Наприклад,
розташовуючи на поверхні круглої п'єзокерамічної пластинки електроди так,
як це зображено на рис. 1.7. а [3], можна значно збільшити електромеханічну
трансформацію перетворювача. На рис. 1.7.б показано вигин круглої
затисненої п'єзопластини під час дії рівномірно розподіленого тиску.
У кругових областях між електродами механічна напруга дорівнює нулю
[33]. Як видно з рис. 1.7, з'єднання електродів при поляризації відрізняється
від з'єднання електродів працюючого перетворювача. Для підвищення
чутливості перетворювача при закріплених краях використовується система
електродів для тангенціальної поляризації в протилежних напрямах
центральної і периферійної частин п’єзокерамічного диска (рис. 1.7).
Під час роботи перетворювача використовується крайній електрод
периферійної частини і центральний електрод, як це показано на рис. 1.8. б.
Як приклад чутливості перетворювачів такого типу можна привести дані з
роботи [36]. Акустичний приймач з титанату барію діаметром 50 мм і
завтовшки 0,3 мм при поляризації по товщині пластинки має статичну
-- -
+
+
+
+
-
+
- -
+
++
-
-

26. 26
чутливість 35 В/Па, ємність 103 пФ, а при тангенціальній поляризації
чутливість підвищується до 600 В/Па, при ємності 120 пФ. Це в багато разів
перевершує чутливість п’єзокерамічних перетворювачів, що працюють на
повздовжніх коливаннях. Але недоліком таких перетворювачів є мала
механічна міцність.
а б
Рис. 1.8. П’єзокерамічний перетворювач згинальних коливань
тангенціальної поляризації: а - з'єднання електродів перетворювача при
поляризації; б - з'єднання електродів працюючого перетворювача
При збудженні згинальних хвиль силою пластинки, що діє на її
поверхні, може бути використаний спосіб збудження за зсувним збуренням,
розподіленим по всій поверхні пластинки [37]. При такому збудженні
згинальних хвиль у пластинці використовуються електроакустичні активні
елементи у вигляді п'єзокерамічних пластин тангенціальної поляризації [3].
Перетворювачі, що працюють за цим способом, конструктивно нічим
не відрізняються від перетворювачів, у яких використовується спосіб
збудження згинальних коливань нормальними (перпендикулярними до
поверхні пластинки) збуреннями, розподіленими по всій поверхні пластинки.
У даному випадку використовуються п’єзокерамічні пластинки
нормальної поляризації [38]. Наприклад, якщо склеїти дві прямокутні
п’єзокерамічні пластинки [39] і живити їх змінною електричною напругою
(рис. 1.9), тоді в цьому, так званому, симетричному біморфному
п’єзокерамічному перетворювачі виникають згинальні коливання.
-
+
-
+

27. 27
Рис 1.9. Симетричний біморфний п’єзокерамічний перетворювач
Резонансна частота перетворювача обумовлюється довжиною і
товщиною п'єзопакету і, зазвичай, не перевищує 20 кГц. Перетворювачі
такого типу мають діаграми спрямованості складної форми [39, 40]. Для
отримання однохвилевої діаграми спрямованості як в симетричних, так і в
асиметричних перетворювачах використовуються різного роду насадки і
рефлектори (“пастки”) [41]. Такі перетворювачі використовуються для
вимірювання швидкості і прискорення. Деякі з таких перетворювачів
представлені на рис. 1.10. Основним недоліком цих перетворювачів є мала
механічна міцність.
Стрілками показаний напрям поляризації п’єзокерамічних пластинок
а б
Рис. 1.10. Варіанти конструкцій складених випромінювачів для
придушення бічних пелюсток у діаграмі спрямованості: 1 - випромінювачі,
2 - пастки; а - конусоподібна; б - прямокутна
1
2
2
1

28. 28
1.3. Основні вимоги, що пред'являються до п’єзокерамічних
перетворювачів
У зв'язку з тим, що випромінювання перетворювачів найефективніше на
частоті резонансу їх механічної коливальної системи, перетворювачі в режимі
випромінювання використовують, як правило, на резонансних або близьких до
них частотах. Сучасні гідроакустичні станції працюють у діапазоні частот від
одиниць герц до декількох мегагерц, і щоб перекрити такий діапазон,
застосовують цілу гамму гідроакустичних перетворювачів, що відрізняються
способами перетворення енергії, формами коливань і типами конструкцій [5].
Для мінімізації типорозмірів перетворювачів бажана велика
широкосмуговість перетворювачів. Широкосмуговість перетворювача можна
забезпечити застосуванням негативного зворотного зв'язку або домено-
дисипативних п'єзоелементів.
Як приклад, для забезпечення заданого коефіцієнта концентрації
антени і випромінюваної нею потужності, використаніі в ній перетворювачі
повинні мати відповідні хвильові розміри, дисперсію амплітудних і фазових
помилок. А також необхідні значення питомих випромінюваних потужностей
і ККД.
Оскільки гідроакустичні антени встановлюють у забортному просторі
різних носіїв, їх робочі глибини (відповідно змінюються значення
гідростатичного тиску перетворювачів) можуть знаходиться в інтервалі від
декількох метрів до декількох кілометрів.
Перешкодостійкість антени залежить від ступеня її захищеності від
електричних шумів - власне приймачів і сполучених з ними
радіоелектронних елементів, а також перешкод моря і шумів об'єкту - носія
антени.
У загальному випадку захищеність приймача від шумів електронних
елементів і власних шумів визначає значення порогового (мінімального)

29. 29
тиску РП. Захищеність п’єзокерамічних приймачів від основного джерела
шумів - електричних шумів попередніх підсилювачів забезпечують вибором
відповідного значення їх чутливості холостого ходу М і внутрішнього опору
Z, тобто питомій чутливості приймача:
Мвід = М / Z . (1.1)
Для забезпечення необхідної широкосмуговості, зазвичай,
використовують рівномірні дорезонансні ділянки амплітудно-частотної ха-
рактеристики приймача.
Таким чином, сучасні перетворювачі повинні володіти робочими
частотами, хвильовими розмірами, питомими потужностями, ККД,
питомими чутливостями, широкосмуговістю і робочими глибинами, які
забезпечували б необхідну дальність дії гідроакустичної станції.
Перетворювачі експлуатують у морській воді при дії різних
агресивних чинників (корозія, кавітація, обростання), а також широкого
діапазону температур і гідростатичного тиску. Крім того, під час роботи в
режимі випромінювання на перетворювач впливає значна електрична і
циклічна механічна напруга. Наслідок всіх цих чинників - накопичення у
відповідних елементах конструкції механічних і електричних пошкоджень.
Щоб забезпечити надійне кріплення вузла, який перетворює енергію
(так званого активного елементу), доводиться вводити спеціальні
конструктивні елементи, виконані з відповідних матеріалів. Вони
забезпечують хорошу електроізоляцію та герметизацію для акустичного
екранування конструкції перетворювача
Це все робить гідроакустичні перетворювачі достатньо складними і
дорогими. Завдання проектування ПП - це використання в них матеріалів,
котрі будуть забезпечувати задану ефективність, надійність і довговічність
при мінімальній вартості перетворювача [40].

30. 30
1.4. Методи синтезу (проектування) п’єзокерамічних
перетворювачів
Існує значна кількість методів проектування п’єзокерамічних
перетворювачів, деякі з них показані на рис. 1.11 [1, 5].
Рис. 1.11. Відомі методи синтезу п’єзокерамічних перетворювачів
При вивченні п'єзоелементів можна розглядати дані методи з різних
точок зору. Наприклад, можливо розглядати п'єзоелемент з точки зору
просторової енергосилової структури, що коливається на резонансній частоті
під дією електричної напруги; змінювати характеристики
п'єзоперетворювача, використовуючи електромеханічний зворотний зв'язок
або метод просторового розміщення електродів і.т.д.
Досить перспективним є метод додаткових елементів. Основна суть
даного методу полягає в тому, що до п'єзоелементів приєднують додаткові
електричні або механічні коливальні контури, які змінюють характеристики
п’єзоекерамічних перетворювачів. Тут можливі, як мінімум, два варіанти. У
першому випадку до п’єзоелемента механічно приєднується другий
п’єзоелемент, металева пластина або ультразвуковий концентратор [42].

31. 31
У другому випадку до п’єзоелемента електрично приєднується
ємність, індуктивність, коливальний контур, п’єзоелемент або частина
п’єзоелемента [40].
Два п’єзоелемента, сполучені між собою механічно і електрично
(симетричний біморфний п’єзоелемент), дозволяють збільшити чутливість у
10-20 разів і в стільки ж раз зменшити резонансну частоту. З'єднання
п’єзоелемента і металевої пластини (асиметричний біморфний п’єзоелемент)
також приводить до збільшення на порядок чутливості і зменшення
резонансної частоти.
Приєднання ультразвукового концентратора до п’єзоелемента [44]
збільшує амплітуду коливального зсуву (або швидкості), що дозволяє
використовувати такі пристрої для ультразвукового різання, миття,
розпилювання рідини [35], а також у вимірювальних пристроях на основі
резонансних п’єзоелементів [45, 46, 47]. Не менш перспективним є
використання концентраторів для збільшення потужності низькочастотних
ультразвукових випромінювачів [48, 49].
У зв'язку з тим, що п’єзоелемент є електромеханічним пристроєм,
якому відповідає електричний ланцюг (в окремому випадку - послідовний
коливальний контур), підключення до нього електричних елементів
(резисторів, конденсаторів, індуктивностей) можуть змінювати
характеристики п’єзоперетворювачів.
Наприклад, послідовне підключення резистора з п’єзоелементом
зменшує його добротність і розширює робочу смугу частот [50].
Уключення ємності між вхідною і вихідною системами електродів
п’єзотрансформаторного датчика також дозволяє розширити робочий
діапазон частот [51].
Якщо на вхід п’єзоелемента підключити індуктивність Lдод так, щоб ця
індуктивність і міжелектродна ємкість Сел утворили послідовний
коливальний контур, то характеристики п’єзоелемента зміняться [52, 53].

32. 32
Сд R
Cвх
Lд
~
Свых
Lдод
Рис. 1.12. Еквівалентна схема перетворювача з додатковою
індуктивністю.
На цій схемі Свх - ємність між вхідними і вихідними електродами
Lд, Cд, R - так звані динамічні індуктивністі, ємність і активні втрати в
п’єзоелементі.
Розглянемо вхідний ланцюг перетворювача, що містить
індуктивність Lдод і міжелектродну ємність Свх. Якщо вибрати Lдод із
співвідношення
2 2
1
4
дод
р вх
L
f С
 . (1.2)
де fр - резонансна частота п’єзоелемента, тоді резонансна частота, fдоб
послідовного коливального контура Lдод Свх. дорівнюватиме резонансній
частоті п’єзоелемента, тобто дод рf f .
Крім того, індуктивність Lдод разом с динамічною індуктивністю Lд
створюють додаткову резонансну частоту, яка може знаходитися нижче за
основну резонансну частоту п’єзоелемента fр.
Якщо розрахувати індуктивності так, щоб контури Lдод·Свх і
(Lдод1 + Lдод2)·Свих мали резонансну частоту, рівну резонансній частоті fр
п’єзоелемента, можна отримати додаткове збільшення звукового тиску на 5-6
дБ [53].
Підключення індуктивності між електродами п’єзотрансформаторного
датчика дозволяє збільшити рівень вихідної напруги і акустичної потужності
п’єзовипромінювача, розширивши при цьому смугу пропускання та інші
параметри [134].

33. 33
Перетворювачі, зображені на рис. 1.13 і 1.14, дозволяють збільшити
звуковий тиск на 20-25 дБ у порівнянні з перетворювачем ЗП-19 без
додаткових індуктивностей.
Cвх
Lдод2
~
Lдод1
Свых
Рис. 1.13. Перетворювач ЗП-19 з двома індуктивностями
Ще один варіант схеми з двома індуктивностями показано на
рис. 1.14.
Cвх
Lдод2
~
Свых
Lдод1
Рис. 1.14. Варіант схеми перетворювача з двома індуктивностями
Зміна форми електричного сигналу, що поступає на перетворювач,
може привести до зміни його технічних характеристик. Наприклад, якщо
подати на електроакустичний перетворювач електричну напругу в формі
меандру, АЧХ такого перетворювача розширюється у бік низьких частот
[84, 132].
При подачі на п’єзоелемент одночасно двох сигналів перетворювач
може набути нових властивостей і функцій. Наприклад, якщо подати на
п’єзоелемент з двома входами два сигнали синусоїдальної форми, близькі до
його резонансної частоти, може бути отриманий низькочастотний сигнал
достатньо високої потужності [51, 54]. Потужність може бути збільшена,

34. 34
якщо на один із входів подати синусоїдальний сигнал, а на другий вхід -
сигнал у вигляді меандру [55]. Вельми перспективні результати можуть бути
отримані, якщо на обидва входи подати сигнали у формі меандру [51] або на
один вхід подати шумовий сигнал, а на другій - синусоїдальний [52].
Нарешті, на один із входів п’єзоелемента з трьома системами
електродів можна подати шумовий сигнал, а на другий і третій - сигнал у
формі меандру [52].
Можливе застосування комбінованих технологій. У цьому випадку
використовуються одночасно або в різних комбінаціях технології, описані
вище. Неважко побачити, що в цьому випадку з одного п’єзоелемента
можуть бути отримані сотні варіантів датчиків з різними характеристиками,
серед яких можна вибрати варіант з необхідними або якнайкращими
характеристиками (підвищення точності, стабільності, чутливості,
розширення робочого діапазону частот і ін.) [56-59].
1.5. П’єзокерамічні перетворювачі, як компоненти комп'ютерних
систем
Автоматичне управління різними процесами, зокрема з
використанням ЕОМ, передбачає збір інформації про стан керованого
об'єкту. Збір інформації проводиться за допомогою первинних
перетворювачів (датчиків), чутливих елементів регуляторів і різних
маніпуляторів, загальною особливістю яких є пряме або зворотне
перетворення одного виду енергії в іншій. Оскільки практично будь-який
процес завжди зв'язаний з необхідністю здійснювати той або інший вид
механічної роботи, найбільш поширеними елементами систем управління є
електромеханічні перетворювачі. Основу таких перетворювачів і до
теперішнього часу складають електромагнітні механізми.

35. 35
Незалежно від конструкції і використаних у них матеріалів
електромагнітні механізми володіють рядом принципових недоліків, які
практично не усунені. Це, насамперед, неможливість створення твердотілих
монолітних конструкцій, що спричиняє труднощі, пов'язані з підвищенням
надійності і зниженням масогабаритних показників. Крім того, робота
електромагнітних механізмів пов'язана зі споживанням струму, що негативно
позначається на значеннях ККД і ускладнює їх використання в умовах
вибухонебезпечних виробництв. Наявність кінематичних вузлів у конструкції
приводить до того, що електромагнітні перетворювачі володіють низькою
стійкістю до дії різних зовнішніх чинників, таких, як температура, агресивні
середовища, трясіння, вібрації, перевантаження тощо.
Негативний вплив перерахованих недоліків став особливо гостро
відчуватися останнім часом у зв'язку з розвитком і широким упровадженням
електронних засобів обробки інформації на базі інтегральних мікросхем,
локальних розподілених систем управління з мікропроцесорами і мікро ЕОМ.
Це викликано тим, що електромагнітні елементи автоматики використовують
у сукупності з високоефективними електронними пристроями, з якими вони
практично несумісні за багатьома експлуатаційними характеристиками. І
сьогодні можна з повною впевненістю стверджувати, що численні різновиди
електромагнітних елементів слід замінювати (де це можливо) на досконаліші
функціональні аналоги.
Такими високоефективними функціональними аналогами є твердотілі
п’єзокерамічні перетворювачі, що володіють таким же високим ступенем
надійності, як і інтегральна електронна апаратура (інтенсивність відмов на
рівні 6
10
). Крім того, оскільки процес перетворення енергії в п'єзоелементах
відбувається за рахунок дії електричного поля, а не за рахунок споживання
струму, на їх базі можуть створюватися вибухобезпечні пристрої з високим
ККД.

36. 36
Проте проблема вдосконалення і розвитку систем управління і
контролю не вирішується тільки заміною електромагнітних перетворювачів
п'єзоелектричними. У сучасних системах інформація, котра отримана від
датчиків та поступає на керуючі пристрої (мікро ЕОМ), може зазнавати
безліч різних енергетичних перетворень.
Так при управлінні об'єктом, що має механічну природу, в системі з
ЕОМ і оптичним каналом зв'язку потрібно перетворити механічну енергію в
світлову, а світлову - в електричну.
Аналізуючи розвиток сучасних систем управління і контролю, можна
дійти до висновку, що найбільш гостра потреба відчувається в елементах і
пристроях, в основі яких лежить п’єзокерамічний принцип перетворення
сигналів.
У довідниковій літературі п’єзокерамічні елементи представлені у
вигляді узагальнених перетворювачів енергії. Розглянуто декілька видів
енергії: механічна, енергія рухомою магнітного поля і світлова. Це дозволило
систематизувати і описати багато класів перетворювачів, що відрізняються
один від одного видом енергії на вході та виході.
Можливість використання п’єзоелектриків для побудови ефективних
елементів і пристроїв з'явилася на початку 1960-х рр., коли був заснований
промисловий синтез п’єзокерамічних матеріалів, що володіють високою
чутливістю, механічною міцністю і дешевизною виробництва.
На сьогоднішній день вирішено велике число проблем щодо
дослідження п'єзокерамічних елементів, створення на їх основі ефективних
пристроїв автоматики і обчислювальної техніки, їх застосування в різних
системах контролю і управління. Проте інформація з цього питання, яка є в
різних публікаціях та журналах, відображає в основному лише приватні
аспекти тих або інших досліджень.
Наприклад, в ультразвукових приладах для дослідження фізичних
властивостей матеріалів п’єзокерамічних перетворювачів (ПП) виконують

37. 37
важливі спектрометричні функції. В ультразвуковій дефектоскопії і деяких
медичних діагностичних приладах за допомогою ПП перетворюють сигнали,
які несуть інформацію локаційного характеру. Ультразвукові лінії затримки,
які не є вимірювальними пристроями, але використовуються для обробки
вимірювальної інформації, також використовують ПП у вузько спрямованій
області.
Таким чином, до контрольно-вимірювальних відносяться ПП, що
працюють в системах визначення різних характеристик середовищ за
параметрами звукових і ультразвукових полів, а також перетворювачі, що
використовуються при обробці вимірювальної інформації.
Більшість ультразвукових вимірювальних систем, за винятком
фазометричних та інтерферометрчних, є широкосмуговими, отже, до
перетворювачів цих систем також пред'являються вимоги
широкодіапазонності частотного спектру. Тому найважливішими
характеристиками п’єзокерамічних перетворювачів є передавальні функції
або перехідні характеристики. Цими характеристиками визначаються
широкосмуговість і ефективність електромеханічного перетворення в режимі
випромінювання і, відповідно, чутливість механоелектричного перетворення
в режимі прийому. Оскільки випромінювання перетворювачів ефективне на
частоті резонансу, то перетворювачі в режимі випромінювання
використовують на резонансних або близьких до них частотах.
Коефіцієнт корисної дії не є для контрольно-вимірювальних
перетворювачів такою першорядною характеристикою, як для
випромінювачів, призначених для створення потужних полів. Але це не
зменшує важливості узгодження цих перетворювачів з електричною схемою і
робочим середовищем, оскільки це значною мірою визначає їх чутливість.
Узгодження ж хвильових акустичних опорів п’єзокерамічних перетворювачів
і досліджуваних середовищ має принципове значення при побудові
фазометричних приладів.