Довольно распространенным видом нетрадиционных излучателей являются пьезокерамические (с недавнего времени — пьезопленочные) излучатели. Это электроакустические устройства воспроизведения звука, использующие обратный пьезоэлектрический эффект. Пьезоизлучатели широко используются в различных электронных устройствах — часах-будильниках, телефонных аппаратах, электронных игрушках, бытовой технике. Часто используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в устройствах отпугивания грызунов и насекомых, увлажнителях воздуха, ультразвуковых «стиральных машинах».
Громкоговоритель (динамик) – обзор конструкции
Пьезокерамический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрической керамики, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами. Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием. В качестве рупора также может использоваться углубление в корпусе устройства, в котором используется пьезоизлучатель.
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.
Пьезоизлучатель также может использоваться в качестве пьезоэлектрического микрофона или датчика.
Отечественные пьезоизлучатели имеют обозначения вида ЗП и номера серии. Наиболее распространённые в отечественной бытовой технике излучатели – ЗП-1 и ЗП-3.
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.
Прежде всего, для проектирования широкополосных излучателей пьезоэлемент должен быть сконструирован таким образом, чтобы его резонансная частота лежала на нижней границе рабочего диапазона. 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.
Модели с пьезоизлучателями
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.
Такой 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.
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.
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. Конструкция одного из них показана на рисунке ниже. Громкоговоритель содержит изогнутую пьезопленку (1), демпфирующую прокладку (2) и специальную сетку (3). Параметры представленных высокочастотных громкоговорителей оказались следующими: диапазон воспроизводимых частот 5-20 кГц с неравномерностью +/-1 дБ, чувствительность 90 дБ/Вт/м, максимальное звуковое давление 110 дБ.
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 дм3, 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.
Перспективы пьезоизлучателей
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.
Наряду с вышеперечисленными видами излучателей проводятся работы по созданию плазменных, пневматических и других видов громкоговорителей, но они еще не выпускаются промышленно. В последние годы большое внимание уделяется созданию цифровых излучателей (своего рода акустического ЦАП), но пока эта работа находится на стадии научных исследований.
