7.1.4. Перетворення на основі електромеханічно активних речовин

Особливого поширення набули методи збудження акустичних коливань, які використовують перетворювачі на основі електромеханічно активних речовин. Це більшою мірою п'єзоелектричні перетворювачі, а також перетворювачі, що використовують магнітострикційний ефект.

Електромеханічно активні речовини. Під електромеханічно активними речовинами мають на увазі речовини, у яких під дією електричних або магнітних полів виникають пружні напруження, а, отже, і деформації. Ці ефекти ґрунтуються на тому, що в речовині наявні або з'являються в ній в результаті індукції елементарні диполі, дипольні моменти яких взаємодіють із зовнішніми електричними і магнітними полями.

Зв'язок між взаємодією електричних дипольних моментів з електричним полем і механічною деформацією виражається поняттям «електрострикція», а зв'язок між взаємодією магнітних дипольних моментів з магнітним полем  поняттям «магнітострикція». Обидва ефекти загалом квадратичні (нелінійні), а це означає, що знак механічного напруження (деформації) не залежить від знака електричного або магнітного поля. Це приводить до подвоєння частоти механічних коливань порівняно з частотою збудження.

Незалежність деформації від знака поля можна пояснити тим, що для нульового зовнішнього поля вектор поляризації сегнетоелектрика статистично усереднений до нуля. Якщо внести цей сегнетоелектрик в електричне поле, напрям вектора поляризації збігатиметься з вектором поля. В цьому разі виникне позитивна деформація.

Якщо поміняти напрям зовнішнього електричного поля на протилежний (що рівноцінно переходу його через нуль), то процес поляризації повториться, але у зворотному напрямі, і деформація знову буде позитивною. Для такої зміни знака зовнішнього поля спостерігається так званий діелектричний гістерезис. Аналогічні властивості з'являються і в магнітострикційних матеріалах лише з тією різницею, що замість електричного поля діє поле магнітне.

Деяким електромеханічно активним речовинам «від природи» властивий лінійний електрострикційний або магнітострикційний ефект. Інші можуть набути цієї властивості, яка потім у них зберігається. Такі речовини називають відповідно «п'єзоелектриками» або « п'єзомагнетиками». Усі електромагнітомеханічні кристали проявляють лінійний ефект, тобто є п’єзоелектриками або п'єзомагнетиками.

Для збудження і приймання ультразвукових коливань для контролю матеріалів і виробів застосовують переважно п'єзокераміку, тобто титанат барію, цирконат-титанат свинцю (ЦТС), титанат свинцю, ніобат барію і натрію та ін. Але такі полікристалічні речовини, що виготовляються за технологією кераміки, у макроскопічному значенні (тобто на весь об'єм п'єзоелемента) взагалі не можуть проявляти ніякого п'єзоелектричного ефекту. Це зумовлено хаотичністю орієнтації дипольних моментів доменів. Тому внаслідок дії зовнішнього електричного поля вони змінюють орієнтацію за знаком поля, а сумарна деформація керамічного об'єкта пропорційна квадрату модуля напруженості поля (ознака електрострикції).

Рішення проблеми  закріпити (зафіксувати) орієнтацію всіх доменів (або якоїсь їх частки) у напрямі дії зовнішнього механічного або електричного дій. Це і буде лінеаризацією електрострикції. Лінеаризований електрострикційний матеріал стає п’єзоелектриком.

На відміну від п'єзокераміки п'єзокристали не мають температурного, механічного й електричного гістерезису.

Лінеаризація магнітострикції. Ефект магнітомеханічного зв'язку відкрив у 1847 р. відомий англійський фізик Д. Джоуль. Ефект виявлено за деформацією тіла в магнітному полі (ефект магнітострикції).

Магнітострикційний ефект не залежить від знака магнітного поля. В діамагнітних і парамагнітних речовинах не виявляється.

Магнітострикційний ефект зумовлений орієнтацією іонів, яка в свою чергу призводить до спотворень ґраток. Орієнтація спінів знищується за температури Кюрі  ТС  у результаті інтенсивного теплового руху. З погляду на те, що у феромагнітній речовині окремі кристали розташовані безладно, всі можливі напрями намагніченості рівноймовірні. Під дією зовнішнього магнітного поля змінюється магнітна індукція, а також деформація , знак якої не залежить від знака поля (рис. 7.9).

а

б

Рис. 7.9. Залежності магнітної індукції (а) і механічної деформації (б)

у магнітострикційному матеріалі від зовнішнього магнітного поля.

Метою лінеаризації магнітострикції є перестроювання середовища з явищами магнітострикції в магнітнополяризоване середовище. В результаті лінеаризації магнітострикційний матеріал стає п'єзомагнетиком. Тільки в такому лінеаризованому вигляді магнітострикційні перетворювачі становлять інтерес для використання їх в електроакустичних перетворювачах для випромінювання і приймання звукових хвиль.

Для лінеаризації магнітострикції необхідно створити відмінну від нуля постійну складову індукції (рис. 7.10)

,

де Гн/м  магнітна стала.

Рис. 7.10. Залежність магнітострикційних деформацій від постійного підмагнічування: перехід від магнітострикційного ефекту (A – B) до п'єзомагнітного(C  D)

Індукція може бути створена за допомогою постійних магнітів (рис. 7.11, а) або пропусканням постійного (підмагнічувального) струму через соленоїд навкруги магнітострикційного осердя (рис. 7.11 б, в) або, нарешті, за рахунок залишкової намагніченості речовини (рис. 7.11 г).

Якщо одночасно з діє також змінна індукція , виникають механічні коливання такої самої частоти, що й частота .

За змінної механічної дії на намагнічений постійним полем зразок спостерігаються змінні складові і , що змінюються з частотою збуджувального механічного напруження або деформації .

Рис. 7.11. Способи лінеаризації магнітострикції використанням постійного магніту (а), підмагнічування постійним струмом (б, в) або перетворенням на частковій петлі гістерезису в області залишкової магнітної індукції (г)

Якщо , то між механічними і магнітними змінними існують лінійні співвідношення. Таким чином, коливання малої амплітуди в поляризованому магнітострикційному матеріалі зовні аналогічні п'єзоелектричним. Тому такі матеріали часто називають п'єзомагнітними, хоча вони є наслідком лінеаризації магнітострикції великим постійним полем і не стосуються істинного п'єзомагнетизму, що існує в деяких антиферомагнетиках.

Магнітострикційні перетворювачі не набули поширення в пристроях неруйнівного контролю передусім через їх інерційність формування коротких зондувальних імпульсів. Через обмежений обсяг у цьому виданні не приділено достатньої уваги математичній моделі магнітострикційних перетворювачів.

Лінеаризація електрострикції. П'єзоелектричний ефект виявили відомі французькі фізики брати Кюрі ще в 1880 р. (прямий п’єзоефект), згодом вони відкрили зворотний п’єзоефект.

Складність виготовлення і пов'язана з цим висока вартість монокристалів спонукала до пошуку нових п'єзоречовин.

Речовини з достатньо сильним для технічного застосування електрострикційним ефектом були відкриті лише після 1945 р. Найбільш підходящими з них виявилися титанати барію та інш. лужноземельних металів (сегнетоелектрики).

Сегнетоелектриками називають речовини, що здатні до спонтанної поляризації, напрям якої може бути змінено під дією зовнішніх впливів, наприклад, із застосуванням електричного поля.

Спонтанна поляризація  поляризація, що виникає під впливом внутрішніх процесів у діелектриці без зовнішніх дій. Об'єм сегнетоелектрика, як правило, розділений на домени  області з різним напрямом спонтанної поляризованості . У результаті цього сумарна поляризованість зразка в цілому дорівнює нулю.

Сегнетоелектричні властивості і зумовлена ними електрострикція абсолютно аналогічні феромагнітним властивостям і магнітострикції феромагнетиків.

Найбільшого поширення набули керамічні сегнетоелектрики, що вирізняються високою нагрівостійкістю і механічною міцністю на відміну від монокристалічних. Кераміка (від грец. keramike  гончарне мистецтво, keramos  глина)  виріб або матеріал, виготовлений спіканням глин і їх сумішей з мінеральними домішками, а також оксидів і інших неорганічних сполук.

П’єзокераміка перед монокристалами має ту перевагу, що з неї можна виготовити активний елемент будь-якого розміру і форми і здійснити поляризацію в заданому напрямі.

Основним матеріалом для виготовлення п’єзокерамічних елементів є тверді розчини (цирконат-титанат свинцю або скорочено ЦТС  у закордонній літературі ). Цю кераміку широко використовують для створення потужних ультразвукових випромінювачів у широкому діапазоні частот для дефектоскопії, гідроакустики, механічної обробки матеріалів та ін.

Ультразвукові генератори, виготовлені на основі п′єзоперетворювачів, застосовують також в хімічній промисловості (емульгатори, полімеризатори, стерилізатори і ін.) для прискорення різних процесів і в напівпровідниковій технології для ефективного відмивання та знежирення пластин за допомогою ультразвукової ванни. З п′єзокераміки роблять малогабаритні мікрофони, телефони, гучномовці (високочастотні), слухові апарати, детонатори (для зброї). Ультразвукові генератори на п′єзокераміці використовуються і в медицині (ультразвукова терапія, хірургія, стоматологія) і ін. Подвійне перетворення енергії (електричної в механічну і навпаки) покладено в основу роботи п’єзорезонансних фільтрів, ліній затримки і п’єзотрансформаторів.

Окрім кераміки для виготовлення різних п'єзоелектричних перетворювачів застосовують керамічні матеріали на основі твердих розчинів і . Останні розроблено спеціально для високочастотних перетворювачів (до 40 МГц).

У полікристаличному стані сегнетоелектричні речовини складаються з доменів, які спонтанно поляризовані до насичення. Ґратки домену спотворені у напрямі поляризації. Під дією зовнішнього електричного поля виникає процес поляризації, подібний до процесу намагнічення. Аналогічним чином з'являються діелектричний гістерезис, насичення і залишкова поляризація (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Характер залежності електричної індукції (а) і механічної деформації (б) в

електрострикційному матеріалі від зовнішнього електричного поля

Лінеаризувати електрострикцію означає вивести електромеханічну залежність електростриктора з квадратичної зони, тобто ввести поляризаційний зсув (рис. 7.13).

Якщо до полікристалевого сегнетоелектричного перетворювача, що перебуває під дією змінного електричного поля, прикласти постійне поле великої напруженості (близько 1кВ/мм), то внаслідок виниклої орієнтації елементарних диполів він проявить п'єзоелектричний ефект. За допомогою присадок (титанату свинцю до титанату барію) можна виготовляти полікристалічні сегнетоелектричні речовини, які в результаті однократної короткочасної поляризації набувають постійних п'єзоелектричних властивостей (подібні, наприклад, до монокристалів кварцу і сегнетової солі).

Рис.7.13. Залежність електрострикційних деформацій від поляризаційного зсуву: перехід від

електрострикційного ефекту (A  B) до п'єзоелектричного (C  D)

Лінеаризацію електрострикції можна здійснити як електричним (рис. 7.14), так і фізичним способом. Обидва способи приводять до створення попередньої залишкової поляризації. Поляризацію зазвичай проводять за температури трохи нижчої за точку Кюрі, щоб забезпечити орієнтацію доменів. Після охолодження цей впорядкований стан залишається стабільним. Напрям вектора поляризації звичайно позначається на п′єзоелементі.

Рис. 7.14. Електричні способи лінеаризації електрострикції шляхом

просторового складання постійного і змінного електричних полів (а)

та складання в ланцюзі збудження постійної і змінної напруг (б)

Після підвищення температури вище від точки Кюрі відбувається деполяризація, і п’єзокераміка відновлює свої електрострикційні властивості.

Для будь-якого з цих методів лінеаризації характерне одне  вектор поляризації електрострикційної кераміки не змінює напряму в разі електричної або механічної дії. В результаті лінеаризації істотно зростають лінійність і енергетична ефективність електромеханічного перетворення за рахунок переходу робочої точки на ділянку з високою крутизною перетворення (див. рис. 7.13).

Механічне стиснення або розтягування, що діє на п′єзопластину в напрямку поляризації, призводить до деформації всіх елементарних комірок. В цьому випадку центри ваги зарядів взаємно зміщуються усередині елементарних комірок, які розташовані тепер переважно паралельно, і в результаті створюється заряд на поверхні пластини.

Для зручного відведення зарядів на обидва боки пластини наносять металеві електроди, наприклад, срібні покриття, що міцно тримаються. Ці покриття утворюють електричний конденсатор з п′єзоелементом як діелектриком. Унаслідок зсуву зарядів під час стискання пластини конденсатор заряджається до деякої напруги.

Отже, якщо стиснення змінює знак, тобто переходить в розтягування, то змінюється і знак напруги на пластині. Тому у випадку падіння звукової хвилі на п’єзоелемент з її змінним станом розтягування і стиснення він створює на своїх обкладках змінну напругу тієї ж частоти, що й частота хвилі. Амплітуда напруги пропорційна звуковому тиску: п’єзоелемент стає мікрофоном. Одна з його сторін служить приймальною поверхнею.

Таким чином, прямий п’єзоелектричний ефект дозволяє створити приймач акустичних коливань, зворотний п’єзоефект використовується для збудження акустичних хвиль.