Министерство образования и науки российской федерации гоу впо уральский государственный технический университет
 Скачать 1.81 Mb.
|
|
5.3. Пьезоэлектрические преобразователи П еская поляризация (прямой пьезоэлектрический эффе 89 “Пьезо” в переводе с греческого означает давить. Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении деформаций пьезо- пластинки под действием электрического поля. Связь между механическими и электрическими переменными (деформацией и электрическим полем) носит в обоих случаях линейный характер. Для того, чтобы обнаружить пьезоэффект, на грани кристаллической пластинки накладывают металлические обкладки. Если обкладки разомкнуты, то при деформации пластинки возникает разность потенциалов. При подключении к обкладкам внешней ЭДС кристалл деформируется. Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца (рис, элементарная ячейка которого содержит три молекулы и схематично показана на рис. 5.5. При сжатии вдоль оси Х положительный ион 1 (и отрицательный ион 2 (O - ) перемещаются вглубь ячейки, в результате чего на выделенных на рисунке плоскостях появляются заряды. При растяжении на этих плоскостях возникают заряды противоположного знака. Z X Y Z X Y ического преобразователя Рис. Кристалл кварца и пример вырезания из него пластинки для пьезоэлектр 90 а б в + + + + _ _ _ _ 1 2 Х Х Р пьезоэффекта является совокупность констант – коэффициентов пропорциональности в соотношениях между электрическими величинами (напряженностью элек- трич поля, поляризацией) и механическими величинами (механическое напряжение, деформация. Например, поляризация ис.5.5. Схема структуры кварца проекции ионов Si + (1) и O - (2) на плоскость, перпендикулярную оси Х темные кружки соответствуют ионам Si + ; светлые – паре ионов O - ; а – недеформированное состояние б - сжатие вдоль оси Х в – растяжение вдоль оси Х Количественной характеристикой еского P , возникающая в пьезоэлектрике под действием механического е- ния , выражается соотношением напряж T P d T = (5.13) Полная поляризация с учетом электрического поля складывается из поляризации, вызванной механическим напряжением, и поляризации, вызванной электрическим полем P d T E = + χ , (5.14) где – диэлектрическая восприимчивость. Коэффициент – одна из пьезоконстант. Поскольку механические напряжения могут быть представлены в виде шести независимых величин (сжатия и растяжения вдоль трех осей, а также сдвиги плоскостях, перпендикулярных этим ты, тов обще стант. Параметры пьезоэлектриков, характеризующие их электрические и механические свойства, можно найти в соответствующей справочной литературе, например в [4]. Главные оси кристалла носят названия ось Х – электрическая, ось Y – механическая и ось Z – оптическая. Пластинка, вырезанная изв осям, а вектор поляризации имеет три независимые компонен- м случае может быть 18 разных пьезокон 91 кристалла перпендикулярно электрической оси Х, называется пластинкой Х-среза. Такая пластинка при приложении к ее металлическим электродам механического или электрического напряжения будет испытывать деформации по толщине и соответственно служить приемником или излучателем продольных акустических волн L. Для приема или излучения сдвиговых волн используется срез Y. В этом случае пластинка вырезается так, что ее большая поверхность перпендикулярна оси Y. - зон- ср Наибольшая амплитуда колебаний пьезопластинки будет при ре ансе. Например, для продольных волн на толщине l пластинки X еза должно укладываться нечетное число полуволн 2 асчета частоты X имеет вид l n = . Формула для р пьезорезонансов пластинки Скорость продольных волн для пьезокварца по оси l n V = ( x равна l V = 5700 м. Основная частота собственных колебаний пластинки Х- среза при толщине l = 1 мм будет равна ƒ ≅ 2850 кГц. Добротность Q для пьезоэлектрической пластинки, совершающей колебания на соб- ствен ой частоте (n = 1) и излучающей акустические волны обеими нее сторонами (двухстороннее излучение, определяется отношением пьезопластинки среды Q Z = Здесь среды – акустическое сопротивление среды акустическое сопр п д ( пьезопластинки – отивление самой пластинки. Так, для ластинки Х-среза пьезопластинки Z ≅ 1.43⋅10 6 г/(см 2 ⋅с), а ля воздуха среды 41 г см 2 ⋅с), добротность составит Q ≅ 3⋅10 Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку пьезоэлектрического кристалла толщиной от четверти до половины длины волны с двумя металлизированными поверхностями. Существенным фактором, определяющим эффективность работы пьезоэлектрических излучателей, является согласование их со средой и создание однонаправленного излучения. Первое решается использованием четвертьволновых согласующих слоев. Второе – использованием поглощающего или отражающего слоя с нерабочей стороны устройства (рис. h ∼λ тр /4 l Металлические элек Вода или живая троды ткань Пьезоэлектрический материал Согласующий слой Рис. Пьезоэлектрический акустической волны вводе или живой ткани с преобразованием на основе продольных акустических волн показана на рис. На этом рисунке, – толщина металлических электродов толщина пьезоматериала. преобразователь для возбуждения с воздушной тыльной нагрузкой и согласующим лоем Два пьезоэлектрических преобразователя, соединенных слоем материала с малыми акустическими потерями, образуют линию задержки. Подобные устройства находят широкое применение в радиоэлектронике. Конструкция линии задержки с пьезоэлектрическим 1 h 2 h l Металлический электрод h 2 задержки l Цилиндрическая линия Металлический торцевой электрод Пьезоэлектрический материал Рис. СВЧ линия задержки на акустических волнах 93 Продольные акустические волны распространяются в звукопро- воде, например, из алюминия, сапфира или плавленого кварца. На его торцах расположены пленочные электроды, на которые нанесены ионным распылением или вакуумным напылением тонкие слои пьезоэлектрического материала. Толщина этого слоя обычно составляет от четверти до половины длины волны. С другой стороны пьезоэлектрика расположены пленочные электроды. Под действием переменного напряжения сигнала между обкладками конденсатора, образованного двумя плоскими электродами, создается переменное электрическое поле. Оно вызывает соответствующее изменение толщины пьезоэлектрического слоя, которое передается звукопроводу. Образовавшаяся продольная акустическая волна распространяется с известной скоростью вдоль звукопровода. Его длина определяет время задержки устройства. Механическая вибрация торца звукопровода воз- дейст водится нии заде х до 100 МГц и выше время задержки до 0,1 мс. оверхностных акустических волн используются встречно-стержневые преобразователи. Если среда является пьезоэлектрической, то и электрические поля, связанные ста- кими волнами, должны возрастать вблизи поверхности. При помощи электродов, нанесенных на поверхность пьезоэлектрического материала, можно сравнительно легко возбуждать и принимать поверхностные волны. Простейший встречно-стержневой преобразователь электрического сигнала в поверхностную волну показан на рис. 5.8. Два проводника образуют плоский конденсатор на пластинке пьезоэлектрического материала. Под действием источника сигнала между проводниками конденсатора возникает переменное электрическое поле, воздействующее на пьезоэлектрическую подложку. Тем самым создается переменная деформация материала между металлическими э енно- го преобразователя используют гребенчатую структуру электродов вует на пьезоэлектрик. На обкладках второго конденсатора на- напряж ания. Ли- ение сигнала с заданным временем запаздыв ржки рассмотренного типа обеспечивают на частота. Встречно-стержневые пьезоэлектрические преобразователи Для возбуждения и приема п- лектродами. Для повышения эффективности рассмотр 94 рис. Аналогично реализуются преобразователи энергии акустической поверхностной волны в электрическую энергию, те. рассмотренные устройства являются взаимными. Поверхностная волна Рис. 5.8. Простейший возбудитель поверхностной акустической волны λ ПАВ Поверхностная волна Рис. 5.9. Встречно-стержневой преобразователь Пространственный шаг штырей (расстояние между соседними одноименными штырями) равен длине волны ПАВ λ . Обычно ширина штырей равна зазору ∆ между ними. Если зазор ∆ взять минимально реализуемого размера, например ∆ min = 0.5 мкм, то получим максимально реализуемую частоту в зависимости от материала подложки ГГц. Допустимая площадь преобразователя ограничивает рабочую частоту снизу ƒ min = 1 – 10 МГц. В преобразователе возбуждаются две волны, направленные в противоположные стороны. Часто полезной является одна волна, распространяющаяся к выходному преобразователю. Другая волна устраняется с помощью поглощающегося покрытия. 95 При пространственном шаге структуры ПАВ λ каждая пара электродов возбуждает акустическую волну, при этом волна проходит расстояние между парами за время, равное периоду повторения возбуждающего сигнала, и волна усиливается. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) такого преобразователя имеет максимум на частоте 0 ПАВ ПАВ ПАВ V V f S = = λ (5.16) Полоса пропускания ∆ƒ (на уровне 0,7 от максимума АЧХ) может быть вычислена по формуле 0 2 f f N ∆ Здесь ч N – число пар ст тель представляет собой астотно-избирательный элемент. Чем больше N, тем уже полоса, тем выше избирательность. Короткий преобразователь может быть использован для возбуждения (или приема) сигнала в более широком частотном диапазоне. Для формирования направленного излучения поверхностной волны вдоль периодической структуры длина стержней (область их взаимного перекрытия) должна составлять не менее нескольких длин поверхностной волны. Радиоэлектронные устройства, использующие рассмотренные выше преобразователи с поверхностными акустическими волнами, называются ПАВ преобразователями Два подо котором расстоянии друг от друга, позволяют реализовать линию задержки. Аку и этом интервал времени с возбужденной по- ержней. Преобразова бных преобразователя, расположенные на не стические линии задержки на поверхностных волнах (ПАВ) эффективно работают на частотах до 1 ГГц. Пр максимальное время задержки сигнала достигает 1 мс. Имеется большое многообразие конструкций устройств на пространственных и поверхностных акустических волнах, информацию о которых можно получить в соответствующей технической литературе. Если несколько преобразователей расположить на пути распространения акустической волны, то можно построить, например, корреляционный фильтр. Принцип работы корреляционного фильтра заключается в следующем. Параметры ожидаемого цифрового сигнала обычно известны, например некая последовательность нулей и единиц. Единице соответствует 96 верх ии. Этап ли закон расположения акустоэлектронных преобразователей на пути распространения акустических волн совпадает с законом распределения максимумов амплитуд п зуется логический элемент и, на выходе появляется соответствую волнах находят широкое применение в приборах неразрушающего контроля труктуры материалов (например, в дефектоскопах, а также в устройствах акустической ин- трос излучаемая мощность состав- Скорость распространения пове ностной волной, нулю – при ее отсутств оследователь- ность, подобно железнодорожному составу с пустыми и нагруженными платформами, бежит по поверхности материала. На пути распространения поверхностной волны методами интегральной технологии нанесены пьезоэлектрические акустоэлектронные преобразователи. Ес оверхностных волн (исполь- щий сигнал. Устройства на акустических с копии (например, системах ультразвукового исследования (УЗИ) в медицине. Кроме того, они часто используются в высококачественных микрофонах и акустических системах звукового диапазона. 5.5. Задачи для самостоятельного решения 5.1. Вычислить интенсивность сферической волны в воздухе от пульсирующей сферы малого радиуса (r 0 << λ, где r 0 – радиус сферы) на расстоянии 10, 50, 100 им, если ляет 5 Вт. 5.2. Определить полную мощность излучения звука пульсирующей сферой радиусом 1 см, совершающей колебания с амплитудой 1 мм на частоте 100 Гц а) в воздухе б) вводе. Вычислить расстояние между стержнями планарного электроакустического преобразователя, если рабочая частота равна 30 МГц. Подложка выполнена из ниобата лития. рхностной волны Рэлея в ниобате лития равна 3,3 км/с. 97 Глава 6. Элементы акустики звукового диапазона 6.1. Строение слухового аппарата человека Акустические волны звукового диапазона существенно расширяют информационные возможности человека, позволяют ориентироваться ему в пространстве. Предлагаемый вниманию раздел содержит основные сведения о свойствах слуха человека. Особенности строения уха и свойства слуха человека имеют большое значение звукозаписывающей для рационального проектирования и эксплуатации и звуковоспроизводящей аппаратуры. Соответ- стви ного восприятия по частотному и динамическому диапазонам. Таким образом, аналоговый звуковой сигнал представляется последовательностью электрических импульсов, вырабатываемых нервными окон- чан человеческого уха шная раковина 1 в области наружного уха направляет акустические ого давления, действующего далее на барабанную пере- понк валенки опирается на а, сооб- ающегося с носоглоткой через проход 8, в область внутреннего уха , заполненную несжимаемой жидкостью - лимфой. Структура внутреннего уха представляет собой сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к которой примыкают каналы е технических средств звукопередачи и субъективных характеристик восприятия помогает достигнуть нужной информационной достоверности передаваемых сигналов, получить в процессе прослушивания семантическое и эмоциональное соответствие между первичными и воспринимаемыми звуковыми образами. Ухо человека обладает свойствами частотного анализа, дискрет- иями волокон основной мембраны уха. Строение оказано на рис. п У колебания в слуховой проход 2, заканчивающийся барабанной перепонкой 3. В слуховом проходе, как в звуковом резонаторе, настроенном на частоту 3 кГц, происходит примерно кратное усиление звуков у. Барабанная перепонка образует границу с областью среднего уха и соединена с костно-мышечным механизмом в виде молоточка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки нако входной элемент внутреннего уха - мембрану овального окна 6 внутреннего уха 7. Рычажная система молоток - наковаленка играет роль акустического трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая звуковое давление на мембране овального окна 6 для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды среднего ух щ 98 вест кост тся основная мем дставляет собой х ибулярного аппарата в виде трех колец. Весь лабиринт ограниченной перегородкой. По всей длине улитки располагае брана - анализатор акустического сигнала. Она пре узкую ленту из гибки связок, расширяющуюся к вершине улитки Рис. 6.1. Строение человеческого уха При колебаниях мембраны овального окна внутреннего уха в жидкости внутреннего уха возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной мембраны от основания к вершине. Структура основной мембраны аналогична системе акустических резонаторов с изменяющейся резонансной частотой. На рис показана развертка основной мембраны со шкалой резонансных частот соответствующих участков. 99 16000 8000 4000 1000 500 250 60 f, Гц Рис. Положение резонансных зон на развертке основной мембраны Участки основной мембраны, расположенные вблизи основания улитки, резонируют на высокочастотные составляющие спектра звукового сигнала, заставляя их колебаться. Средняя часть реагирует на средние частоты звукового диапазона. Участки, расположенные вблизи вершины, возбуждаются низкими частотами. Нервные клетки расположены в основной мембране в несколько слоев и образуют орган Корти. Резонансные явления в основной мембране возбуждают окончания нервных клеток. Всего таких окончаний насчитывается около 25 тысяч. Электрический сигнал от нервных окончаний поступает в головной мозги человек воспринимает звуковое колебание соответствующей частоты. Пространственный разнос резонаторов основной мембраны позволяет одновременно воспринимать несколько частот. 6.2. Свойства слуха поочередно воспроизводимых звуков. Если же изменение частоты происходит медленно, то разрешающая способность человеческого уха составляет 2–4%. Таким образом, 0 5 10 15 20 25 L, мм Развертка основной мембраны 30 Гармоническое колебание определенной звуковой частоты в восприятии характеризуется понятием тон. Разрешающая способность различения слухом соседних частот неодинакова. На низких частотах ниже 500 Гц) человек начинает ощущать разницу тона при ном изменении частоты, в области высоких частот – около 0,5%. Самая высокая разрешающая способность человеческого уха (0,2–0,3%) имеет место на средних частотах. Эта разрешающая способность наблюдается при сравнении двух 100 можно считать, что весь слышимый диапазон частот человеческое ухо дискретизирует на 2–3 сотни градаций. Силу звука человек ощущает в очень широком диапазоне звуковых давлений. Пока волокно основной мембраны при своих колебаниях не доходит до нервных окончаний - человек звук не слышит. При превышении уровня звукового давления некоторой пороговой величины человек начинает воспринимать соответствующий звук Снизу динамический чен стандартным имать эффективное значение зву аваемого гармоническим диапазон на частоте составляет около 22000 элементарных град ций в диапазоне уровней от порога слышимости до болевого ощущения в диапазоне частот от 20 Гц до кГц. ровень громкости принято оценивать в фонах. При его оценке исполь овня сигнала заданной частоты с эталоном, ран тон частотой 1000 Гц. При равном восприятии громкости уровень гром ости в фонах совпадает суров- нем п диапазон воспринимаемого звука ограни порогом слы условились пон шимости. Под ним кового давления, созд звуковым колебанием частоты 1000 Гц, едва слышимое человеком со средней чувствительностью слуха. Стандартный порог слышимости составляет 2 10 -5 Па. Верхний предел слышимости, при котором возникает болевое ощущение, определяется звуковым давлением Па. Таким образом, весь динамический Гц составляет 10 6 разили дБ. Порог слышимости различен на разных частотах. Он уменьшается в области низких и высоких частот (рис. Порог различимости силы звука вблизи порога слышимости составляет дБ, а в области средних уровней громкости – около 0,4 дБ. Таким образом осуществляется принцип квантования ощущения уровня звука. Общая дискретность восприятия слуха по частоте и амплитуде звукового сигнала а У зуют метод сравнения ур в качестве которого выб к тона частотой 1000 Гц в децибелах относительно порога слышимости. Частота эталонного сигнала выбрана потому, что на этой частоте человеческое ухо наиболее чувствительно и диапазон воспринимаемых градаций громкости максимален (рис. Нормальное ухо слышит только звуки, характеристики которых лежат внутри указанной области. Для профессионального прослушивания редпочтителен уровень громкости 85–95 фон. Сего понижением сужается воспринимаемый слушателем диапазон частот. Это явление наиболее заметно в области низких частот звукового диапазона, где чувствительность слуха к восприятию спектральных составляющих существенно 101 ухудшается. Представление об уровнях громкости реальных источников дают данные приведенной ниже таблицы. Рис. Диаграмма частот и интенсивностей звука, воспринимаемых человеческим ухом (диаграмма слуха) Примерный уровень громкости звука различных источников Источник звука Уровень громкости, фон Шум в студии звукового вещания Не более 20…25 Библиотека, театральный зал 25…40 Разговорная речь на расстоянии 1 м 50…60 Выступление оратора на расстоянии 1 м 70…80 Громкое звучание симфонического оркестра До 110 Звук, соответствующий болевому пределу Введем понятие абсолютный акустический уровень, дБ, ( ) 20 lg зв зв N Р Р a 0 = , где зв Р – звуковое давление, воздействующее на ухо человека, Па 0 5 зв 2 10 P − = ⋅ – порог слышимости, Па. Человек в слышимом частотном диапазоне воспринимает уровень громкости при постоянном акустическом давлении неодинаково. Соответственно субъективная оценка уровня постоянной громкости происходит при различной величине акустического давления. Это необходимо учитывать при проектировании высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры. На рис показаны кривые равной громкости – изофоны. Самая нижняя кривая, соответствующая порогу слышимости, определяется величиной 0 фон. На этом рисунке зв I – плотность потока мощности акустической волны. 103 Рис. Кривые равной громкости (изофон овеческого уха Наличие постороннего источника звука ил ма изменяет ход зависимости, зного сигнала, те. вблизи частоты мешающего источника звука существенно пов сти. При существенном уровн уха примерно на 4–5 дБ меньше, чем уровень помехи. Полезный сигнал слышен даже при некотором превышении его помехой. Нелинейные свойства слуха проявляются в том, что при достаточно большом уровне одночастотного тона ухо человека начинает воспринимать его вторую, третью гармонику и далее. При прослушивании двух тонов человек слышит суммарную и разностную частоты. Экспериментально это явление можно подтвердить по биениям фантомных звуков и вспомогательного пилот-сигнала. Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью. Время, в течение которого человек ощущает изменение уровня звукового сигнала на 10 фон, называемое постоянной времени слуха, составляет 150–200 мс. Время адаптации слуха при оценке высоты тона на низких частотах составляет 30 мс, на высоких немного меньше. Определить направление, с которого распространяется звук, человек может благодаря так называемому бинауральному эффекту. Локализация источника осуществляется по уровню и запаздыванию звукового сигнала, приходящего в каждое ухо. Первое преобладает на средних и высоких частотах, второе – на низких. На частотах ниже 150 Гц локализация источника практически невозможна. Это допускает применение лишь одного излучателя низких частот в системах звуковоспроизведения. Достаточно одной акустической системы – саббуфера, чтобы в полной мере ощутить все краски музыкального произведения. ы) чел и шу показанной на рис. Наблюдается эффект маскировки поле ышается порог слышимое помехи полезный сигнал может быть совсем неслышен. Явление маскировки проявляется по-разному для различных уровней мешающего сигнала и его спектральных характеристик. Резонансные характеристики слухового резонатора несимметричны. Со стороны высоких частот спад резонансной кривой более пологий. Эта особенность слуха проявляется в том, что в смешанном хоре мужских голосов обычно меньше чем женских, ноне смотря на это, их очень даже хорошо слышно. Следует отметить, что при совпадении частот полезного сигнала и помехи порог чувствительности человеческого 104 |