Физическая лаборатория - Портис А.
Скачать (прямая ссылка):
160
Тшпашт, Алюминий
Рис. 16.
щего с направлением поляризации. Если приложить потенциал противоположного знака, цилиндр удлиняется. Прилагая переменный потенциал между внутренней и наружной поверхностями, можно использовать цилиндр с пластиной на конце в качестве акустического излучателя.
Под действием продольного сжатия между наружным и внутренним электродом цилиндра возникает разность потенциалов. При растяжении цилиндра разность потенциалов меняет знак. Поэтому цилиндр из титаната бария можно использовать как акустический приемник. Такие трансдукторы успешно работают на частотах до 100 кгц.
Недавно был разработан очень простой и недорогой ультразвуковой дисковый преобразователь для дистанционного управления телевизионными приемниками *). Его устройство показано на рис. 16. Преобразователь состоит из диска, изготовленного из титаната бария и соединенного с ним алюминиевого
диска. Пара электродов, один в центре и один по краю, наносятся на титанат бария с помощью испарения. Устройство поляризуется с помощью этих электродов, как было описано выше. Теперь, если мы приложим потенциал между электродами, диск изогнется. Направление изгиба зависит от знака потенциала. И, наоборот, если мы изогнем диск, между выводами возникнет разность потенциалов.
Еще одним интересным свойством преобразователя является исключительно узкая резонансная кривая. Эти устройства, имеющие около 2 см в диаметре, резонируют приблизительно при 40 кгц и имеют акустическую добротность около 200. Высокая акустическая добротность связана с колебанием алюминиевого диска, к которому присоединен титанат бария. Алюминиевый диск колеблется таким образом, что в движении находятся только его край и центральная часть. Крутящие моменты возникают у узлов, которые находятся на расстоянии около 1/\^2 расстояния до края-Частота таких колебаний дается уравнением
2оа
(27)
где и = 6,26* 106 см/сек — скорость звука в алюминии, ? ^ 0,1 см — толщина диска, а ^ 1 см — его радиус. (Заметьте, что основная частота колебаний тонкого диска обратно пропорциональна квадрату его радиуса.)
При анализе поведения звукового преобразователя очень полезно представить преобразователь эквивалентной схемой. Прибли-
>) М а 1 с о 1 т С о г г е 11, Атег. Л. о1 РЪу*. 32 (1964).
6' А. Портио
161
женная эквивалентная схема дискового преобразователя показана на рис. 17.
При очень низких частотах основную роль играет реактивное сопротивление емкости с, которая близка к 850 пф и является просто емкостью между электродами на поверхности титаната бария. Благодаря очень высокой диэлектрической постоянной титаната бария (є =; 3000) мы получаем необычно большую емкость. При очень высоких частотах импеданс становится активным за счет
потерь, которые возникают главным образом в диэлектрике титаната бария. Вблизи резонансной частоты параллельного резонансного контура
1 (28)
г
о—Г~П-
I R
2л VLC
Рис. 17-
импеданс определяется параллельным сопротивлением Н контура. Сопротивление ^ соответствует излучению звуковой энергии. Конденсатор С и индуктивность Ь характеризуют механические свойства системы и соответствуют потенциальной и кинетической энергии вибрирующего диска. Импеданс преобразователя как функцию
Рис. 18.
Ющ ювщ Шец V
Рис. 19.
частоты можно определить с помощью схемы, показанной на рис. 18. Так как импеданс устройства реактивен, вы измерите главным образом реактивную часть импеданса параллельного резонансного контура. Таким путем вы можете определить резонансную частоту преобразователя. Вы можете также найти второй резонанс при частоте приблизительно в четыре раза большей, чем основная, как показано на рис. 19. Этот резонанс является следующей гармоникой, в которой имеется два радиальных узла, что иллюстрируется рис. 20, б. Характер колебаний основной частоты показан на рис. 20, а. Кроме этого, вы сможете заметить, вероятно, дюжину других слабых резонансов в интервале частот до 1 Мгц. Эквивалентный контур, изображенный на рис. 17, соответствует только основ-
162
ному резонансу. Мы можем учесть и более высокие гармоники, добавив ряд дополнительных параллельных резонансных контуров.
Из измерения импеданса как функции частоты вы сможете найти г, су Я и \о- Поскольку резонанс очень острый, вы, вероятно, не сможете определить его ширину, что позволило бы вычислить
Рис. 20.
Ь и С по отдельности. Однако используя метод, представленный в Р. 1.10, можно наблюдать затухание колебаний. В этой работе диодная мостовая схема была использована в качестве «ключа» для прямоугольного сигнала. Когда преобразователь работает в резонансе, можно наблюдать переходное нарастание и переходное.
Рис. 21.
затухание колебаний. Мостовая схема дана на рис. 21. Когда возбуждение выключено, вы можете наблюдать переходное затухание в форме
У = У0е-"тсо5й>0/. (29)
Можно измерить время релаксации т и вычислить добротность <ш из соотношения
@=4"«ьт. (30)
Наконец, I и С можно вычислить из равенств
Заметьте, что величина (31) обратна величине (20) в Р. 1.8. Мы имели там дело с сопротивлениями, соединенными последовательно с индуктивностью Ь. Здесь мы вместо этого представляем потери с помощью сопротивления, включенного параллельно индуктивности Ь.
