3.4.Пьезоэлектрические головки звукоснимателей

Во многих головках звукоснимателей еще применяются преобразующие системы, работающие на пьезоэлектрическом принципе. Их широкое распространение объясняется просто: это самый дешевый среди известных в настоящее время типов звукоснимателей. Другим достоинством пьезоэлектрических головок звукоснимателей является высокое выходное напряжение, которое примерно в сто раз больше, чем напряжение других звукоснимателей. Благодаря этому в усилителе можно сэкономить несколько транзисторов.

Предположение о существовании пьезоэлектрического эффекта было высказано лордом Кельвином в 1887 г., а три года спустя братья Курье успешно продемонстрировали пьезоэлектрические свойства кристалла кварца. Этим экспериментом было доказано, что при механической деформации отдельных кристаллов на их обкладках возникает электрическая поляризация.

Физическое объяснение пьезоэлектрического эффекта представлено на рис. 1. В спокойном состоянии атомы кремния и кислорода в кристалле кварца располагаются в вершинах правильного шестигранника. Внешне кристалл электрически нейтрален, так как атомы, заряженные положительно и отрицательно, располагаются симметрично. Если к двум плоскостям, перпендикулярным анизотропной оси кристалла, приложить силу, симметрия атомов кремния и кислорода нарушится. К верхней части кристаллической пластинки окажутся ближе атомы кремния, а к нижней — атомы кислорода, при этом с пары металлических контактов, закрепленных на кристалле, можно снять электрический заряд или напряжение.

Рис. 1. Возникновение пьезоэлектрического потенциала при сдавливании кристалла кварца

При снятии силы кристалл вновь становится электрически нейтральным, а в случае растягиваюшего усилия так же, как и при сжатии, возникает напряжение, но уже противоположного знака.

В пьезоэлектрических головках звукоснимателей кристалл обычно работает не на сжатие, а на изгиб или, чаще всего, на кручение. Так как число зарядов, снимаемых с кристалла кварца не велико, головки звукоснимателей изготавливают из других материалов, обладающих большой диэлектрической постоянной. Эти материалы, по возможности, должны обеспечивать высокое напряжение. Таким материалом, например, является KNaC4H4О64H2О — калийно-натриевый тартарат, известный также под названием сегнетовой соли. Это вещество хорошо кристаллизуется, и поэтому из него можно вырастить монокристалл. В новейших головках звукоснимателей применяют и поликристаллическую керамику (титанат бария).

Кристаллические головки звукоснимателей. Существует много вариантов кристаллических головок звукоснимателей. Ниже приводится описание одного из характерных представителей этого типа. Преобразующий элемент состоит из двух пластин монокристалла сегнетовой соли толщиной 0,2—0,3 мм, которые на специальной установке вырезают из исходного кристалла точно по направлениям оптической и электрической осей. Обе пластины покрывают специальным токопроводящим лаком, который одновременно является и общим выводом. Второй вывод образуют обкладки, расположенные на внешних поверхностях пластин Конструкция кристаллической головки стереофонического звукоснимателя показана на рис. 2. Задние концы пьезоэлектрических элементов зажаты в блоке из резины или синтетического материала, а спереди они соединены с иглодержателем механическим передатчиком. Колебания иглы, возбуждаемые каждой стенкой канавки, раздельно передаются пьезоэлектрическим пластинам.

Рис. 2 Конструкция кристаллической головки стереофонического звукоснимателя:

1. крепежный блок;
2. кристаллические пластины;
3. гибкий зажим;
4. передатчик;
5. жесткий зажим.

Кристаллические головки звукоснимателей можно изготовить с относительно малыми размерами и незначительной собственной массой. Но поскольку напряжение сигнала обеспечивается путем механической деформации кристалла, гибкость кристаллического звукоснимателя редко достигает значения 4*10^—3 м/Н, поэтому обычно необходимо применять большую прижимную силу, обеспечивающую надежное следование иглы но канавке (кристалл имеет высокое полное механическое сопротивление).

Для кристаллических головок звукоснимателей повышенного качества необходима прижимная сила 25—50 мН. Если при этом желают избежать сильной деформации стенок канавки, т. е. стирания звуковой информации, то радиус иглы следует выбирать таким, чтобы канавка в месте контакта с иглой не разрушалась. Однако игла с большим радиусом закругления не может огибать высокочастотные колебания канавки.

Если конец кристалла закрепить жестко, то головка звукоснимателя будет выдавать сигнал, пропорциональный амплитуде отклонений канавки. Если применить упругий зажим (например, с помощью резины), то можно добиться того, что кристаллическая головка звукоснимателя будет чувствительна к колебательной скорости. Правильно выбрав параметры зажима и принимая во внимание то, что между конструктивными элементами на поверхности пьезопластин нанесено вещество с высокой диэлектрической постоянной (звукосниматель является емкостным генератором), можно получить амплитудно-частотную характеристику, отвечающую требованиям высококачественного воспроизведения.

Чувствительность к амплитуде проявляется при нагрузочном сопротивлении 250 кОм — 1 МОм. Принципиально выходное напряжение кристалла не имеет искажений. Однако это преимущество не может быть использовано, потому что влияющие на амплитудно-частотную характеристику механические элементы (зажим кристаллических пластин и влагозащитный слой) в силу объективной необходимости обладают большим гистерезисом и таким образом являются причиной искажений во всем диапазоне звуковых частот. Главный недостаток кристаллических головок звукоснимателей — чувствительность к влажности.

Для защиты от влаги поверхность кристаллических пластин покрывают лаком. Со временем в лаковом покрытии образуются микротрещины (при проигрывании пластины изгибаются), приводящие к тому, что кристаллическая головка звукоснимателя довольно быстро выходит из строя. Другой способ защиты от влаги — погружение кристаллических пластин в пластическую массу (например, в силиконовое масло), но в этом случае из-за гистерезиса увеличиваются искажения.

Кристаллические головки звукоснимателей чрезвычайно чувствительны к колебаниям температуры. Если температура окружающей среды увеличивается на 10°С, а такое изменение может вызвать включение лампы подсветки иглы или отопления зимой, выходное напряжение снижается на 25%. При температуре 50—52°С пьезоэлектрический эффект исчезает и происходит распад кристаллического вещества. По своей природе кристалл чувствителен и к механическим воздействиям (даже в том случае, если они передаются не через иглу). Однако кристаллическая головка звукоснимателя не чувствительна к магнитным полям рассеяния.

Керамические головки звукоснимателей. По своей конструкции они схожи с кристаллическими головками звукоснимателей. Однако преобразующий элемент изготовляют из поликристаллического керамического вещества, так называемого пьезооксида. Наиболее часто им является титанат бария, свинца или свинца-циркония. Сами по себе эти вещества не обладают пьезоэлектрическими свойствами. Они получают их вследствие специальной обработки. Путем спекания формуются пластины желаемого размера, затем в сильном электрическом поле их подвергают термообработке (обжигают). Строго говоря, поликристаллические керамические тела при механической нагрузке дают ферромагнитное напряжение, названное так по аналогии с ферромагнетизмом, а не характерное для монокристаллов пьезоэлектрическое напряжение.

Пьезооксидные материалы полностью нечувствительны к влаге и химически нейтральны. Их электрические свойства при изменении температуры в области, представляющей практический интерес, постоянны. Верхняя температурная граница 70С. Поэтому керамические головки звукоснимателей годами сохраняют свои электроакустические параметры даже в тропических условиях. Электрически керамическая головка также представляет собой емкостной преобразователь, хотя собственная емкость генератора меньше емкости кристаллической головки Меньше и генерируемое напряжение, составляющее несколько сотен милливольт, при воспроизведении сигнала частотой 1 кГц, записанного с колебательной скоростью 8 см/с. Гибкость керамической головки такого же порядка, как и у кристаллической (в среднем 4*10³ м/Н). Необходимая прижимная сила также достаточно велика.

Среди керамических головок звукоснимателей часто встречаются соответствующие минимальным требованиям, предписанным для высококачественных звукоснимателей. Можно ожидать дальнейшего усовершенствования и еще большего распространения этого вида звукоснимателей. Одна из возможностей их усовершенствования — снижение размеров керамических пластин и применение предварительного усилителя, встроенного в звукосниматель, для сохранения отношения сигнал/шум. Технические данные кристаллических и керамических головок звукоснимателей, выпускаемых в Венгрии, представлены в табл. 1.