بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، پس از مطالعهی مفاهیم اساسی پیزوالکتریسیته، معادلات حاکم بر رفتار آنها، کاربردهای مختلف آن در وسایلی مانند مولد صوتی، مبدل های صوتی و ... بیان شده است. سپس مکانیزم تولید صوت در این دستگاهها توسط ورقهای پیزوالکتریک و شکل مودهای ورقهای دایروی سوراخدار تبیین شده است. جنبه کاربردهای آکوستیکی پیزوالکتریکها آمده است. فرکانس های طبیعی و شکل مود ورق پیزوالکتریک دایروی به روش موج و نیز روش عددی اجزاء محدود به دست آمده است.
مقدمه
اثر پیزوالکتریسیته در سال 1880 توسط برادران کوری کشف گردید و معنای لغوی آن، فشرده شدن در نتیجه الکتریسیته است. بر اساس این اثر گروه خاصی از کریستالها با وارد شدن تنش بر
آنها، بار الکتریکی در دو سر آنها القاء میگردد. مواد کریستالی بسیاری رفتار پیزوالکتریک از خود بروز میدهند، اما تعداد معدودی از آنها این پدیده را به حدی دارا هستند که بتوان از آنها در کاربردهایی که از خصوصیت پیزوالکتریک آنها استفاده شود، بهره برد. از جمله این مواد میتوان به کوارتز، نمک راشل، سرامیکهای زیرکونات تیتانات سرب - مثل PZT-4، PZT- - 5A، تیتانات باریم و لایهنازک پلیمری پلیوینیلیدین فلوراید اشاره کرد.
با اعمال ولتاژ به دو سر یک قطعه پیزو الکتریک میدان تنشی به صورت شکل - 1 - به آن قطعه اعمال میگردد. ابته ممکن است این میدان یکنواخت نیست و برای استفاده مهندسی بهتر است تا حد ممکن میدانها رفتاری خطی و یکنواخت داشته باشند. بنابراین باید این قطعه تا حد ممکن به صورت ورق باشد تا رفتاری خطی بهتری از خود نشان دهد .]2] عکس این اثر نیز امکان پذیر است که به نام اثر معکوس پیزوالکتریسیته شناخته میشود.
در این حالت با اعمال بار الکتریکی - ولتاژ - بر دو طرف یک قطعه پیزوالکتریک، یک تغییر شکل مکانیکی کرنش ایجاد میگردد. از این اثر بیشتر برای تولید صوت استفاده میشود. به این ترتیب که کافی است ولتاژ ایجاد شده دارای نوسان باشد تا کرنش نوسانی نیز در قطعه ایجاد گردد. همین تغییر شکلهای نوسانی و ارتعاشات سطح قطعهی پیزوالکتریک، باعث تولید امواج صوتی در بازهی از امواج زیرصوت تا شنیداری و سپس تا امواج مافوقصوت میگردد.
کاربردهای ورقهای پیزوالکتریک
امروزه ورقهای پیزوالکتریک در بسیاری موارد شامل زلزلهسنجها، شتابسنجها، ترانسدیوسرها، مولدهای صوتی، محرکهای الکتریکی، زنگ اخبار درون پیجرها و گوشی تلفنهمراه، لرزانندههای درون پاک کنندههای مافوق صوت، مولدهای جرقه درون شمع ها و حسگرهای جابجایی درون گیجهای فشار - فشارسنجها - و ... به کار میروند. همچنین در وسائلی که به پرههای هلیکوپتر نصب میشوند و ارتعاشات آنرا از بین میبرند، برای از بین بردن و یا کاهش ارتعاش و صوت در هواپیماها و اتومبیلها، در وسائل ورزشی مانند راکت تنیس و چوبهای اسکی برای کاهش ارتعاشات، و در ساخت ساعتهای ارزان ولی بسیار دقیق استفاده می شود. کارکردهای مختلف پیزوالکتریکها صوت تولیدی، منطقه کانونی جبههی موج صوتی و پرتو فراصوت نشان داده شده است. راز کارکردهای مختلف ورقهای پیزوالکتریک را میتوان به این صورت خلاصه نمود:
-1 استفاده به عنوان مواد هوشمند در کنترل ارتعاشات
-2استفاده از اثر الکترومکانیکال در وسایلی مثل زلزله سنجها و فشارسنجها، مبدلها و ...
-3 تولید امواج صوتی فروصوت، صوتی و فراصوت در بسیاری
کاربردها
بنابراین یکی از مهمترین کاربردهای پیزوالکتریکها تولید امواج صوتی است که اکنون به آن پرداخته میشود.
مولدهای صوتی پیزوالکتریک
چند نمونه مولد پیزو با مواد مختلف در شکل دیده میشود. در این مولدهای صوتی پیزوالکتریک، پرده دیافراگم به وسیله ارتعاش پیزوالکتریکهای سرامیکی لرزانده شده و صوت تولید میشود که عموماً کاربرد پیزوالکتریکها در ایجاد امواج مافوق صوت است، زیرا که سرعت پاسخ فرکانسی آنها بسیار بالا است.
مودهای ارتعاشی یک قرص پیزوالکتریک
امواج صوتی توسط اعمال ولتاژ به پیزوالکتریک و لرزش وجهای آن به وجود میآید. برای این که بیشترین انرژی الکتریکی ورودی به لرزش پیزوالکتریک منجر گردد، باید فرکانس ولتاژ ورودی نزدیک به یکی از فرکانسهای طبیعی پیزو باشد. مقادیر فرکانس طبیعی پیزو، به جنس، شکل، ابعاد هندسی و شرایط مرزی آن بستگی دارند. در هر یک از فرکانسهای طبیعی، قطعهی پیزو با یکی از شکل مودهای خود نوسان میکند. مودهای ارتعاشی یک قرص پیزوالکتریک در این شکل نشان داده شده است. در حین استفاده از آرایهای از پیزوالکتریک ها، از ترکیب این مودها برای تولید صوت مورد نظر استفاده می شود. در این حال پیزوالکتریکها یا عامل محرک یک دیافراگم بوده یا سطح خارجی خودشان به اشکال نشان داده شده، حرکت می کنند.
