Пьезокерамические излучатели

Довольно распространенным видом нетрадиционных излучателей являются пьезокерамические (с недавнего времени — пьезопленочные) излучатели. Принцип их действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, открытом братьями Пьером и Жаком Кюри еще в 1880 году, и заключающемся в том, что в некоторых кристаллах (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под действием приложенных механических сил на их гранях образуются электрические заряды. В зависимости от вида кристалла, заряды могут появиться и при сдвиге, изгибе и кручении. Кроме вышеописанного "прямого" эффекта существует и обратный эффект (который был теоретически предсказан в 1881 году Липманом и экспериментально подтвержден в работах Кюри). Если приложить электрическое напряжение к обкладкам пьезокристалла, то кристалл начнет деформироваться: удлиняться, изгибаться, скручиваться и т. д. Идея использовать такие кристаллы в конструкции электроакустических преобразователей появилась очень давно и была реализована в период 1920-1940 годов в звукоснимателях, микрофонах, акселерометрах, ультраакустических преобразователях и пр. Естественно, что на протяжении длительного периода времени изучались возможности использования этого эффекта и в акустических излучателях в звуковом диапазоне частот. В период 1940-1965 годов различные группы исследователей в Америке, Японии и России вели интенсивные исследования по созданию нового поколения пьезоматериалов с высокими значениями пьезомодуля. Наиболее распространенные для применения в аудиоаппаратуре пьезокерамические материалы были созданы на основе титаната бария и цирконата-титаната свинца со стронцием и ниобием. Наиболее известные марки пьезокерамики, используемые в излучателях: PZT-5 (США), PCM-5 (Япония), P1-60 (Франция). Отечественная керамика с аналогичными параметрами — ЦТС-19. Для увеличения чувствительности обычно используется биморфный элемент, то есть конструкция, состоящая из двух прочно склеенных пластин пьезокерамики, работающих на поперечном пьезоэффекте и возбуждаемых противофазно. Интерес к созданию громкоговорителей на основе пьезокерамики (судя по огромному количеству патентов) был чрезвычайно высок (в основном для высокочастотных громкоговорителей и громкоговорителей для оповещения). Разработчиков привлекала необычайная простота конструкции, отсутствие магнитных цепей, довольно высокий уровень чувствительности, стабильность параметров и т. д. Однако пьезокристаллический элемент, используемый для возбуждения диафрагмы, имеет ярко выраженную резонансную характеристику, поэтому применение его для возбуждения излучателей в широком диапазоне частот потребовало многолетних работ по отработке конструкции.

Громкоговоритель содержит

•  изогнутую пьезопленку (1), 
• демпфирующую прокладку (2) 
• специальную сетку (3).

Прежде всего, для проектирования широкополосных излучателей пьезоэлемент должен быть сконструирован таким образом, чтобы его резонансная частота лежала на нижней границе рабочего диапазона. Резонансная частота пьезоэлемента связана с его радиусом и толщиной следующим образом:где t — толщина пьезоэлемента, r — радиус пьезоэлемента, Е, ρ, σ — модуль Юнга, плотность и коэффициент Пуассона. Следовательно, для снижения резонансной частоты необходимо увеличивать радиус и уменьшать толщину. Увеличивать размеры не позволяет общая конструкция высокочастотных излучателей, а над снижением толщины и подбором специальных конфигураций пьезоэлементов в настоящее время продолжают работать многие фирмы. Необходимо отметить также, что излучатели с пьезоэлементом имеют емкостной характер нагрузки и требуют применения повышающего трансформатора.
Несмотря на указанные проблемы, только в период 80-90 годов примерно 43 фирмы выпускали более ста моделей акустических систем с высокочастотными пьезоизлучателями. К числу таких фирм относятся Motorola, Pioneer, Gemini, Celestion и др. Бесспорным лидером в создании высококачественных пьезоизлучателей, которые нашли широкое применение во многих типах акустических систем целого ряда других фирм, была и остается компания Motorola. Многолетние исследования (что подтверждают многочисленные патенты) позволили им выбрать конструкцию, обеспечивающую излучение в достаточно широком диапазоне частот. Излучатель состоит из биморфного пьезокерамического элемента на металлической подложке , демпфирующих элементов, опорного кольца диффузора и диффузородержателя.Этот излучатель нагружается на рупор специальной формы. С помощью рупора удается согласовать высокий механический импеданс пьезокерамического вибратора с низким импедансом воздушной среды, что позволяет повысить эффективность излучения. Фирма Motorola после многочисленных экспериментов предложила широкогорлую конструкцию рупора (диаметр горла которого совпадает с диаметром диафрагмы излучателя), но для повышения эффективности его излучения разработала специальную форму экспоненциального рупора с множеством продольных ребер внутри него. Наибольшее применение находят в настоящее время две конструкции: KSN 1005 и KSN 1025. Общий вид и АЧХ модели KSN 1005 показаны на рис. 6. В излучателе используется дисковый биморфный пьезоэлемент диаметром 22,6 мм. Рупор снабжен шестью ребрами жесткости, толщина которых меняется от 10 мм в области горловины до 2,5 мм в области устья. Длина рупора 72 мм, площадь входного отверстия 135 кв. мм, выходного 871 кв. мм.

Наряду с пьезокерамическими излучателями, в 70-е годы, после создания новых видов материалов — пьезоэлектрических полимеров, стало развиваться особое направление в создании громкоговорителей, использующих этот эффект. В 1969 году японский физик Н. Камаи открыл пьезоэффект у поливинилиденфторидной пленки (ПВДФ). ПВДФ является высокомолекулярным, высококристаллическим полимером, отличающимся высокой прочностью, жесткостью, стойкостью к износу и др. Физические свойства его зависят от типа кристаллической структуры. Процесс, который придает высокополимерным пленочным материалам пьезоэлектрические свойства, имеет сложную технологию и включает в себя следующие операции:

• - при температуре 60100 градусов пленка растягивается в одном или двух направлениях в четыре или шесть раз;
• - на обе стороны пленки напыляются металлические электроды, обычно из алюминия;
• - вытянутые (ориентированные) пленки поляризуются при температуре 80-100 градусов в течение 30-60 минут в высоком постоянном электрическом поле, при этом происходит окончательная ориентация диполей, пленка приобретает пьезоэлектрические свойства.

Если пленка растягивается в одном направлении, то она обладает разными пьезомодулями в разных направлениях и называется одноосноориентированной. На первом этапе была отработана технология изготовления именно таких пленок. Если теперь такую пленку изогнуть и закрепить ее концы, то при приложении переменного электрического напряжения перпендикулярно ее поверхности она начнет деформироваться, пульсировать и излучать звук.

Первые образцы высокочастотных излучателей в виде пленки, свернутой и натянутой на цилиндр, создала фирма Pioneer (Япония). На их базе компания разработала и выпускала на протяжении длительного времени линейку акустических систем HPM-40, HPM-60, HPM-100, HPM-150, HPM-200, HPM-1100. Несомненным преимуществом таких излучателей является простота конструкции и отсутствие дорогостоящих магнитов. К недостаткам можно отнести емкостный характер сопротивления и необходимость применения повышающего трансформатора. В 80-е годы в Японии была отработана надежная технология поляризации двуосноориентированных пленок с одинаковым пьезомодулем в двух направлениях. Это дало возможность фирмам Audax и Brandt Electronique разработать и в 1980 году представить на выставке в Париже акустические системы с купольными пьезопленочными громкоговорителями. Работы по совершенствованию параметров двуосноориентированной пьезопленки продолжались в Германии, Японии, США и других странах все последние годы. Это дало возможность фирме Audax выпустить новое поколение высокочастотных излучателей и акустических систем с ними. Представителем этого нового поколения является высокочастотный громкоговоритель HD3P. В качестве материала для диафрагмы используется пьезополимерная пленка, покрытая с обеих сторон золотом (методом вакуумного напыления). Пленка натянута в виде эллиптического купола и закреплена на эллиптическом кольце. За диафрагмой находится закрытая камера с воздухом под некоторым давлением, поддерживающим форму купола. К электродам на обеих поверхностях диафрагмы подводится сигнал, под действием которого диафрагма изгибается и излучает звук. Громкоговоритель, естественно, не имеет ни магнитной цепи, ни звуковой катушки. Поскольку движущая масса диафрагмы примерно в двадцать раз меньше, чем масса электродинамического громкоговорителя соответствующего размера, то переходные искажения очень малы, звук необычайно чистый и прозрачный 

На базе этого громкоговорителя была создана новая линейка контрольных агрегатов. В частности, фирма World Audio выпустила небольшие студийные мониторы ближнего поля KLS10  с использованием высокочастотного пьезопленочного излучателя HD3P фирмы Audax. Агрегат относительно недорог, но при этом обладает хорошими параметрами: мощность 60 Вт, чувствительность 89 дБ/Вт/м, диапазон 40-30000 Гц, габариты 190 х 310 х 230 мм. Контрольный агрегат KLS3 Gold использует последнюю разработку фирмы Audax: эллиптический высокочастотный пьезогромкоговоритель. Общий объем — 60 куб. дм, чувствительность 90 дБ/Вт/м. По мнению экспертов, агрегат имеет необычайно чистые и прозрачные высокие частоты благодаря применению пьезоизлучателя.

Неожиданное развитие за последние годы получило направление создания пьезогромкоговорителей в связи с разработкой "мягкой" пьезокерамики, из которой можно формовать диафрагмы и элементы громкоговорителей разных конфигураций. Наибольших успехов в этом направлении добился Междисциплинарный Исследовательский Центр при университете в Бирмингеме (Великобритания), где на протяжении многих лет велись работы по созданию мягких керамических материалов PZT (толстопленочных) и разнообразных изделий из них. Успехи технологии позволили создать биморфные пьезокерамические элементы самых разнообразных конструкций: в виде сферических куполов, пружин и др. Появление таких пьезоэлементов позволило приступить к разработке новых конструкций излучателей, в частности, создать низкочастотный громкоговоритель, где вместо звуковой катушки использован пьезоэлемент

Анализ процессов создания пьезоизлучателей, работающих в звуковом диапазоне частот, позволяет выявить три устойчивые тенденции в их развитии:

• - создание пьезокерамических биморфных элементов и разработка конструкций рупорных высокочастотных громкоговорителей на их основе (лидером в этом направлении является фирма Motorola, с использованием громкоговорителей которой различными компаниями создана целая линейка акустических систем);
• - разработка пьезопленочных высокочастотных излучателей и акустических систем с их использованием (ведущими являются фирмы Pioneer и Audax);
• - создание нового поколения мягких пьезокерамических материалов (толстых пьезопленок PZT) и отработка на их основе конструкций не только высокочастотных, но и низкочастотных громкоговорителей.

Большие достижения в технологии пьезокерамических материалов и их широкое использование в разных областях техники позволяют ожидать значительного прогресса в развитии излучателей на их основе.