Вопрос №6. Получение уз. Пьезоэлектрические преобразователи.
Для получения УЗ-колебаний применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитно-акустические (ЭМА) и другие преобразователи.
Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из пьезокерамических материалов или из монокристалла кварца. На поверхности пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта (Обратный пьезоэлектрический эффект – это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке (в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля). Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель (рис. 6.1.б). И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженная УЗ-волна), то на ее поверхности вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник (рис. 6.1.а).
Рис. 6.1. Схемы работы пьезопластины при приёме (а) и излучении (б) УЗ.
В результате пьезоэффекта в окружающей пластину среде возбуждаются акустические колебания, частота которых определяется частотой источника переменного напряжения.
В
настоящее время все технологические,
медицинские и бытовые ультразвуковые
установки с пьезокерамическим
преобразователем используют не дорогие
пьезокристаллы, а дешёвую пьезокерамику
на основе титаната бария или
цирконат-титаната свинца. В зависимости
от направления поляризации пьезокерамического
вибратора в нем могут возникать как
продольные, так и поперечные колебания.
В таблице ниже показаны самые
распространенные виды пьезокерамических
излучателей.
Вопрос №7. Получение уз. Магнитострикционные излучатели.
Эффект магнитострикции уже давно используется для генерации ультразвуковых колебаний. В чем суть? Если поместить ферромагнитный стержень в переменное магнитное поле, геометрические размеры стержня будут изменяться, т.е. в окружающей стержень среде возникнут акустические волны.
При совпадении частоты переменного магнитного поля с собственной частотой упругих колебаний стержня возникнет акустический резонанс, и амплитуда колебаний стержня будет максимальной.
Амплитуда колебаний стержня-вибратора зависит не только от физических свойств конкретного ферромагнетика, но и от упругости твердого тела, из которого изготовлен стержень. В общем-то, амплитуда акустических колебаний незначительна и исчисляется микронами, но и этого достаточно для создания высокоэффективных ультразвуковых технологических установок.
В качестве материала для магнитострикционного преобразователя (вибратора) среди металлов-ферромагнетиков никель обладает самыми лучшими магнитострикционными свойствами, однако были найдены и другие материалы на основе интерметаллических соединений:
Альфер - сплав Fe и Al (13%)
Пермаллой - плав Fe и Ni (40%)
Альсифер - сплав Fe и Al (4%), Si (2%)
Пермендюр - сплав Fe и Co (49%), V (2%)
Инвар - сплав Fe (64%) и Ni (36%)
Цекас - сплав Fe (26,9%), Ni (59,9%), Cr (11,2%), Mn (2%)
Альтернативой перечисленным выше материалам является ферритовая керамика, химический состав которой определяется общей формулой MO-Fe2O3, где М может быть таким металлом как Ni, Co, Fe, Mn, Mg, Cu.
Предельная частота ультразвуковых колебаний магнитострикционного излучателя определяется его геометрическими размерами (чем меньше длина вибратора, тем выше частота ультразвука) и не превышает 200 кГц. Однако при некоторой потери мощности можно получить ультразвук гораздо большей частоты, возбуждая вибратор на частотах, кратных гармоникам собственной частоты упругих колебаний вибратора. Так, например, применяя в качестве вибратора тонкую ферритовую пластинку, можно получить ультразвук частотой порядка 10 МГц.