2. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Известно, что звук слышимого диапазона можно воспроизвести обычным электродинамическим громкоговорителем, который превращает электрические колебания в механические. Уловить звук слышимого диапазона можно с помощью электродинамического микрофона, который превращает механические колебания в электрические. Однако эти приборы не годятся для УЗ колебаний, так как подвижная часть этих приборов обладает очень большой инерцией и не сможет колебаться с частотой УЗ. Значит, для улавливания и излучения УЗ нужно использовать другое техническое решение. Такое решение существует. В его основе лежит такое физическое явление, как пьезоэлектрический эффект. Он основан на свойстве некоторых монокристаллов создавать на своих гранях электрические заряды при их деформации внешней силой (прямой пьезоэлектрический эффект); а также деформироваться при приложении к их граням электрического напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект). К таким кристаллам относится монокристалл кварца. Он представляет собой окись кремния

(SiO₂). Если такой кристалл сжимать или растягивать вдоль его определённой оси, то на его гранях появляются электрические заряды. Их полярность, т.е. положение плюса и минуса зависит от того, сжимается кристалл или растягивается. При этом величина этих электрических зарядов пропорциональна величине механического усилия. Это и естьпрямой пьезоэлектрический эффект.

Ниже приведён шуточный рисунок, иллюстрирующий это явление.

При сжатии кристалла на его гранях появляется электрическое напряжение.

При растяжении кристалла на его гранях появляется напряжение обратной

полярности.

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект – явление обратимое, поэтому далее будет рассмотрен обратный пьезоэлектрический эффект.

Если к этому же элементу приложить электрическое поле так, что направление силовых линий совпадёт с направлением главной оси кристалла, то электрическое поле будет либо растягивать кристалл, либо его сжимать.

3. Приём и излучение ультразвука

Если кристалл кварца (в дальнейшем – пьезокристалл) деформировать вдоль его главной оси периодически действующей силой, то на гранях пьезокристалла будет генерироваться переменное напряжение. Форма и частота напряжения будут в точности равны форме и частоте прикладываемой силе. Что характерно, кристалл будет реагировать на любую, сколь угодно большую частоту изменения внешней силы. Если на этот кристалл направить поток УЗ волн, то кристалл будет периодически сжиматься и растягиваться с частотой УЗ, при этом на его гранях будет вырабатываться напряжение той же УЗ частоты. Таким образом мы разобрались в том, как работает преобразователь

механических колебаний в электрические, т.е. своеобразный микрофон для ультразвука.

Кварц в роли приёмника ультразвука.

Если на грани пьезокристалла подать переменное напряжение УЗ частоты, то он будет излучать механические волны той же частоты. При этом можно подавать практически любую частоту и кристалл будет успевать колебаться, так как инертная масса кристалла здесь роли практически не играет.

Кварц в роли излучателя ультразвука

Как видно из предыдущего, излучатель и приёмник УЗ устроены практически одинаковои их можно менять ролями, или можно один и тот же пьезокристалл переключать с излучения УЗ на приём и наоборот.