Скорость звука в пьезокерамике

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb – Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

и , (1)

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

, (2)

  • где – диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
  • t – расстояние между электродами, м,
  • S – площадь электрода, м 2 ,
  • C – емкость, Ф

, (3)

где с – скорость звука в материале, м/с [2]

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной ( fr), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ( fa).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы


Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

, (5)

  • где Δxs – изменение толщины пластины, м,
  • Us – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения dij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

Пьезоэлектрическая константа давления gij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

Читайте также:  Solidworks не хватает системной памяти

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение gij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

, (7)

  • где µ – коэффициент Пуассона,
  • Δa – абсолютное приращение толщины, м,
  • a – толщина после деформации, м,
  • Δl – абсолютное приращение длины, м,
  • l – длина после деформации, м

, (8)

  • где ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
  • f(t1) – резонансная частота при температуре t1, Гц,
  • f(t2) – резонансная частота при температуре t2, Гц,
  • f20 – резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
  • Δt – разница температур Δt = t2 – t1, ˚С

, (9)

  • где ТКЕ – температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
  • C(t1) – емкость при температуре t1, Ф,
  • C(t2) – емкость при температуре t2, Ф,
  • C20 – емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)

  • где ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
  • l(t1) – длина при температуре t1, м,
  • l(t2) – длина при температуре t2, м,
  • l20 – длина при температуре 20˚С, м

, (11)

  • где AR – скорость старения для резонансной частоты или емкости,
  • t1, t2 – число дней после поляризации,
  • , – резонансная частота или емкость через t1 и t2 дней после поляризации

, (12)

  • где Qm – механическая добротность,
  • fr – резонансная частота, Гц,
  • fa – антирезонансная частота, Гц,
  • Zr – сопротивление при резонансе, Ом,
  • С – емкость, Ф

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (

570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Бондарев Д.С., Долгов А.Н.

В статье рассмотрены различные пьезоэлектрические материалы, приведена их сравнительная характеристика, положительные и отрицательные качества. На основе этого был выбран подходящий материал для ультразвукового преобразователя скорости , основанного на эффекте Доплера .

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Бондарев Д.С., Долгов А.Н.

CHOICE OF A PIEZOELECTRIC MATERIAL FOR THE ULTRASONIC CONVERTER OF SPEED

In article various piezoelectric materials are considered, their comparative characteristic, positive and negative qualities is provided. The optimum material for the ultrasonic converter of the speed based on effect of Dopler was chosen.

Текст научной работы на тему «Выбор пьезоэлектрического материала для ультразвукового преобразователя скорости»

магистрант, кафедра «Авиационные приборы

Читайте также:  Анонимность в windows 10

Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

А.Н. Долгов канд. техн. наук, доцент, Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

ВЫБОР ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СКОРОСТИ

Аннотация. В статье рассмотрены различные пьезоэлектрические материалы, приведена их сравнительная характеристика, положительные и отрицательные качества. На основе этого был выбран подходящий материал для ультразвукового преобразователя скорости, основанного на эффекте Доплера.

Ключевые слова: ультразвуковой преобразователь скорости, эффект Доплера, пьезоэлектрический материал.

D.S. Bondarev, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)

A.N. Dolgov, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)

CHOICE OF A PIEZOELECTRIC MATERIAL FOR THE ULTRASONIC CONVERTER OF SPEED

Abstract. In article various piezoelectric materials are considered, their comparative characteristic, positive and negative qualities is provided. The optimum material for the ultrasonic converter of the speed based on effect of Dopler was chosen.

Keywords: ultrasonic converter of speed, Dopler’s effect, piezoelectric material.

Ультразвуковой преобразователь скорости (УПС) используется в ультразвуковых расходомерах. Он предназначен для преобразования скорости движения нефтеводогазового потока в соответствующую ей частоту доплеровского смещения.

Эффект Доплера – изменения частоты акустической или электромагнитной волны, происходящие за счет перемещение излучателя или приемника волны. Например, когда наблюдатель перемещается относительно источника волн, измеряемая частота отличается от исходной частоты. Если источник и наблюдатель приближаются друг к другу, измеряемая частота увеличивается, если отдаляются – частота уменьшается.

Методы, основанные на эффекте Доплера, наиболее пригодны для измерения скорости нефтеводогазового потока по следующим причинам:

– наличие рассеивателей в среде, необходимой для реализации этого метода;

– возможность использования одного датчика, работающего в режиме «излучение – прием»;

– простота измерения определяемого параметра (частоты);

– нечувствительность к значительному изменению амплитуды принимаемых сигналов.

На рисунке 1 показана схема работы преобразователя скорости, основанная на доплеровском эффекте [3].

Рисунок 1 – Принцип работы преобразователя

Пьезопередатчик и пьезоприемник расположены под углом a к направлению потока нефтигазовой смеси. Луч ультразвука от передатчика A отражается от движущегося со скоростью V пузыря газа X, воды, нефти и поступает на приемник B.

Частота ультразвука в точке X составит:

где fA – частота излучаемого ультразвука, Гц;

с – скорость звука в среде, м/с;

VAX – проекция скорости движения пузыря на ось AX, м/с.

с ■ fx = с ■ fA – fA V ■ cosa; (4)

Разность fA и fx есть доплеровское изменение частоты в точке B. Изменение будет в два раза больше, следовательно, искомое доплеровское смещение имеет вид;

f = 2 ■ fa V ■ C0Sa . (6)

Одним из важнейших компонентов УПС является пьезопреобразователь.

От выбора материала, из которого он будет изготовлен, во многом зависит точность измерений.

Выбор пьезоэлектрического материала

Под пьезоэлектрическими материалами (п.м.) подразумеваются вещества, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. К таким материалам можно отнести: кристаллы кварца, дигидрофосфаты калия и аммония, некоторые монокристаллы, сульфат лития, а также пьезокерамику.

Главными недостатками монокристалов являются: слабый пьезоэффект и небольшие размеры кристаллов.

Кристаллы кварца, за счет высокой механической добротности и стабильности применяются там, где присутствуют значительные изменения температуры. Наибольшее распространение получила пьезо-керамика. Ее среди остальных материалов выделяет: высокая пьезоэлектрическая эффективность, технологичность и стабильность [4].

Каждый п.м. — пьезоэлектрик является в тоже время электромеханическим преобразователем. Под воздействием на него переменного электрического поля, будет наблюдаться изменение его амплитуды механических колебаний, которая будет меняться с частотой переменного поля. Амплитуда приобретет максимальное значение при совпадении частоты поля с собственной (резонансной) частотой пьезо-электрика. Прямой пьезоэффект основан на преобразовании механических напряжений в электрические сигналы. На основе этого эффекта изготавливаются звукосниматели, приемники ультразвука, эхолокаторы и др. Обратный пьезоэффект прямо противоположен прямому пьезоэффекту – преобразует электрические сигналы в механические. Применяется во всевозможных излучателях и генераторах ультразвука.

Основными техническими характеристиками пьезоэлектрических материалов являются:

коэффициент электромеханической связи:

где d – пьезомодуль,

Е – модуль упругости,

Е – диэлектрическая проницаемость

Он пропорционален модулю упругости и пьезомодулю.

КПД преобразователя есть диэлектрическая величина. Она определяется на резонансной частоте путем нахождения отношения механической мощности пьезоэлемента к квадрату напряженности, электрического поля действующего на него. Диэлектрическая величина определяет чувствительность приемника звука в области резонанса величиной (dE) ;

Формулы 8 и 9 определяют чувствительность приёмника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах (Сзе – скорость звука в п.м.).

Основные характеристики наиболее распространенных пьезоэлектрических материалов, применяемых при расчетах пьезоэлементов, приведены в таблице 1 [2].

Таблица 1 – Основные характеристики распространенных пьезоэлектрическх материалов, применяемых при расчетах пьезоэлементов

Вещество Плотность г , кг/м3 Скорость звука Сзв, 10зм/сек Диэлектрическая проницаемость, е Пьезомо-дуль d, 10" 12 к/н Коэффициент электромеханической связи к

Кварц 2,6 5,47 4,5 2,31 0,095

Дегидрофосфат аммо- 1,8 5,27 21,8 24 0,3

Сульфат лития 2,05 4,7 10,3 18,3 0,37

Сегнетова соль 1,77 3,9 250 172 0,67

Сульфонодид сурьмы 5,2 1,5 1000 22/150 0,8

Титанат бария (ТБ-1) 5,3 4,45/4,2 1500 45/100 0,16/0.35

Титанат бария кальция 5,4 4,7/4,7 1180 1,3 – 4,0 0,17/0,37

"руппа цирконата – ти- 7, 4 3,2/3,0 1100 0,75 – 2,0 0,2/0,41

ганата свинца ЦТС-23

ЦТБС-3 7,2 3,5/3,2 2300 1,2—2,0 0,32/0,65

ЦТСНВ-1 7,3 2,9/2,6 2200 1,9—9,5 0,34/0,72

7,5 2,8/2,5 3400 2,0—3,0 0,39/0,75

7,6 3,4/3,1 1000 0,4—0,7 0,29/0,62

ЦТС-26 7,4 3 1300 271 0,64

^Т-4 7,5 3,3/2,9 1300 12,3/5,4 0,5

ЦТС-19 7,45 3,6/3,0 1725 10,4/14,9 3,5

Для проведения сравнения выше перечисленных материалов и выбора наиболее подходящего, произведем расчет входного электрического сопротивления пьезоэлектрической пластины.

Рассмотрим эквивалентную схему колеблющейся пьезоэлектрической пластины для случая, когда направление электрического поля совпадает с направлением колебаний. Излучатель такого типа преимущественно используется при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний высоких частот.

Емкость между обкладками заторможенной пластины Сф определяется из выражения [1]:

Б – площадь пластины – 4,9 • 10 6 м2. t – толщина пьезопластины 1,5 • 10-4 м.

коэффициент электромеханической связи при колебаниях по толщине;

е33 – диэлектрическая постоянная материала; Коэффициент электромеханической трансформации пластины:

пьезоэлектрический модуль, Кл/Н;

sзз – упругая податливость материала пластины.

Рисунок 2 – Эквивалентная электромеханическая схема

Элемент схемы, характеризующий упругие свойства пластины равен, . . , где Як = ркс^,а к –

волновое число для пластины. Элемент схемы, характеризующий инерционные свойства пластины равен,

]ркс^дМ. Элемент -—отражает изменение продольного электрического поля, обусловленное пьезо-

Читайте также:  Как обрезать музыкальный файл

эффектом деформирующей пластины. Внесение этого элемента в эквивалентную схему необходимо только при совпадении направления электрического поля с направлением колебаний пластины.

Рассмотрим влияние механических элементов пластины на ее входное электрическое сопротивление. За счет объединения параллельных ветвей в механической части, изменится действующая сила и сопротивление по теореме об эквивалентном генераторе (см. рис. 2б – преобразованная схема), все элементы перенесутся в левую часть схемы (см. рисунок 2в – приведенная к электрическим величинам).

Таблица 2 – Результаты вычислений

2 Дегидрофосфат аммония (АДР) 277

3 Сульфат лития 0,852

4 Сегнетова соль 0,791

5 Сульфонодид сурьмы 4,32

6 Титанат бария (ТБ-1) 6,50

7 Титанат бария кальция (ТБК-3) 605

8 Группа цирконата – титаната свинца ЦТС-23 1630

На частоте механического резонанса реактивные элементы механической части равны нулю, и

вносимое сопротивление, = ^¡т, где Я – сопротивление излучения пластины, равное = рcS (пренебрегая сопротивлением механических потерь).

Отношение вносимого сопротивления на частоте механического резонанса ®0 = ^^, к собственному сопротивлению:

= тС* = жезз51зск(1- кза)Рс = 5(1- кза)Рс

^=0Ф*Н = 2*з2з = 2 кз2зРкСк ■ (12)

Результаты вычислений приведены в таблице 2.

Из результата расчетов приведенных в таблице 2 можно сделать вывод, что материалы с 8 по 12 имеют наибольшее сопротивление, первые шесть материалов минимальное, за счет наименьшей плотности и диэлектрической проницаемости. ЦТС-26 имеет наименьшее отношение вносимого сопротивления, на частоте механического резонанса, к собственному сопротивлению. Оно заметно при колебаниях в любой среде, и его необходимо учитывать при соответствующих расчетах и экспериментах.

В качестве пьезоэлектрического материала выберем пьезокерамику ЦТС-26. Она относится к сегнетомягким материалам обособленным повышенной диэлектрической проницаемостью и пониженной умеренной. Используется в приемниках с высокочувствительными преобразователями звуковых и ультразвуковых колебаний и относительно слабым излучателем, что идеально подходит для применения в УПС. Электрические и механические воздействия на пьезоэлементы серии ЦТС-26 не слишком затратные, в плане приложения электрических и механических усилий, а потери не играют существенной роли. Этот материал имеет большой акустический импеданс, а также высокие значения пьезоэлектрической константы давления и добротности что, несомненно, обеспечит наиболее точную обработку сигналов [5].

За счет правильного выбора материала можно улучшить точность измерений, обеспечить повышенные рабочие температуры пьезопреобразователя, уменьшить стоимость прибора.

1. Агранат Б.А. Ультразвуковая технология / Б.А. Агрант. – М.: Металлургия, 1974. -504 с.

2. Арзамасова Б.А. Справочник. Конструкционные материалы / Б.А. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. -456 с.

3. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения / А.Е. Колесников. – М.: Издательство стандартов, 1970. -256 с.

4. Tiny R.Y. Evaluation of new piezoelectrik composites for hydrophone // Ferroelectrics. – 1986. –

5. Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика: пер. с англ. – М., 1971.

Пьезокера́мика — искусственный материал, обладающий пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами, имеющий поликристаллическую структуру.

Пьезокерамика не принадлежит к классическим видам керамики, поскольку в её состав не входит глинистое вещество. Пьезокерамические материалы синтезируются из окислов металлов. Однако применение характерного для керамической технологии приёма — обжига при высокой температуре — оправдывает отнесение пьезокерамических материалов к семейству керамики. "Пьезо" (от греческого «пиезо» — давить) указывает на то, что этому виду керамики присуще особое свойство — пьезоэлектрический эффект.

По сравнению с монокристаллическими пьезоэлектриками пьезокерамики отличаются технологичностью, дешевизной и выраженностью пьезоэлектрических и диэлектрических свойств. Из пьезокерамики можно изготавливать изделия любой формы — пластины, диски, цилиндры, трубки, сферы и т. п., которые чрезвычайно сложно или невозможно изготавливать из монокристаллов. Пьезокерамика широко используется для созданий датчиков ускорений, давлений, пьезоотметчиков ударных волн, мощных излучателей ультразвука и ударных волн, пьезотрансформаторов, пьезорезонансных фильтров, линий задержки. Пьезокерамики стойки к действию влаги, к механическим нагрузкам и атмосферным воздействиям.

По физическим свойствам пьезокерамика — это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твёрдый раствор (порошок) зёрен (кристаллитов). Размеры кристаллитов обычно от 2 до 100 мкм. Каждый кристаллит представляет собой сегнетоэлектрический кристалл. Пьезокерамики обладают всеми свойствами, присущими кристаллическим сегнетоэлектрикам. По химическому составу пьезокерамика — сложный оксид, обычно включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырёхвалентного титана или циркония. Изменяя соотношения исходных материалов и вводя различные добавки, синтезируют составы пьезокерамики, обладающие определёнными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками. Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с кристаллической структурой типа перовскита с формулой АВО3 (например, ВаТiO3, РbTiO3, LiNbO3) и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы ВаТiO3 — СаТiO3; ВаТiO3 — СаТiO3 — СоСO3; NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектриков составы системы цирконата-титаната свинца (ЦТС или PZT) PbTiO3 — PbZrO3.("Пьезокерамика" в универсальной энциклопедии Кирилла и Мефодия)

Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют твёрдые растворы титаната — цирконата свинца (ЦТС, PZT), модифицированные различными компонентами и добавками. Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария (ТБ), титаната свинца (ТС), метаниобата свинца (МНС), титаната висмута (ТВ) и др.

Впервые пьезокерамический материал был синтезирован в 1944 г. советским учёным Б. М. Вулом, обнаружившим сегнетоэлектрические свойства титаната бария ВаТiO3. Практически одновременно эти свойства титаната бария были обнаружены американскими и японскими исследователями.

В России разработаны и производятся следующие марки пьезокерамик: ЦТС-19, ЦТС-36 (ПКР-1), ЦТС-21, ПКР-61.

В исходном состоянии поляризация пьезокерамических элементов равна нулю, поскольку каждый кристаллит разбит на домены и имеет случайное направление кристаллографической оси. При приложении внешнего электрического поля, превышающего определённую величину, называемую коэрцитивным полем, направления поляризации кристаллитов выстраиваются в направлении максимально близком к направлению поляризующего поля. Поляризованная пьезокерамика обладает ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами.

Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят её на сегнетожёсткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление на керамику средней сегнетожёсткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

Величина пьезомодуля d33 достигает нескольких сотен пКл/Н. Также пьезокерамика характеризуется высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости.

Качество пьезокерамики характеризуется следующими, принятыми за рубежом, основными параметрами:

K T 33 (e T 33/e) — относительная диэлектрическая проницаемость;

tg d — тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 кГц в слабых полях;

Kp K33 K31 K15 — коэффициенты электромеханической связи;

g33 g31 g15 — электрические коэффициенты по напряжению;

S E 11 S E 33 — параметр эластичности;

Qm — механическая добротность.