2.8. Ультразвукові давачі

2.8.1. Принцип дії і призначення

Робота ультразвукових давачів основана на взаємодії ультразвукових коливань з вимірюваним середовищем. До ультразвукових відносять механічні коливання, які відбуваються з частотою більше 20 000 Гц, тобто вище верхньої межі звукових коливань, що сприймаються вухом людини. Поширення ультразвукових коливань в твердих, рідинних і газоподібних середовищах залежить від властивостей середовища. Наприклад, швидкість розповсюдження цих коливань для різних газів знаходиться в межах від 200 до 1300 м/с, для рідин – від 1100 до 2000 м/с, для твердих матеріалів – від 1500 до 8000 м/с. Дуже сильно виражена залежність швидкості коливань в газах від тиску.

На межі поділу різних середовищ мають місце різні коефіцієнти відбиття ультразвукових хвиль, відповідно різна і звукопоглинальна здатність. Тому в ультразвукових давачах інформація про різні неелектричні величини отримується завдяки вимірюванню параметрів ультразвукових коливань: часу їх розповсюдження, згасання амплітуди цих коливань, фазового зсуву цих коливань.

Ультразвукові методи вимірювання відносяться до електричних методів, оскільки збудження ультразвукових коливань і приймання цих коливань виконуються електричним способом. Зазвичай для цього використовують п’єзоелементи і магнітострикційні перетворювачі. П’єзоелектричні давачі перетворюють тиск в електричний сигнал. Це прямий п’єзоефект. Він використовується в приймачах ультразвукового випромінювання. Зворотний п’єзоелектричний ефект полягає в стисканні і розтягненні п’єзокристала, до якого прикладена змінна напруга. Для збудження ультразвукових коливань і використовується цей ефект. Таким чином, п’єзоелемент може використовуватись позмінно то випромінювачем, то приймачем ультразвукових коливань.

Магнітострикційні випромінювачі ультразвуку використовують явище деформації феромагнітів в змінному магнітному полі.

Пояснимо роботу ультразвукового давача на прикладі ехолота – приладу для вимірювання глибини моря (рис. 2.8.1). При подачі змінної напруги на п’єзоелемент 1 збуджуються ультразвукові коливання, що направлені вертикально вниз. Відбитий ультразвуковий імпульс сприймається п’єзоелементом 2. Електричний прилад 3 вимірює час t між імпульсами, що посилається, і отриманим. Глибина моря пропорційна цьому часу і швидкості розповсюдження звуку  у воді:

(2.8.1)

Шкала приладу градуюється безпосередньо в метрах. Аналогічно діє ультразвуковий локатор, що визначає відстань до перепони на шляху корабля в горизонтальному напрямку. Деякі тварини (наприклад, летючі миші і дельфіни) мають органи орієнтації, які діють саме за принципом ультразвукового локатора.

Ультразвукові коливання мають енергію значно більшу, ніж звукові, оскільки енергія пропорційна квадрату частоти. Крім того, порівняно просто здійснюється направлене випромінювання ультразвуку.

За допомогою ультразвукових давачів знаходять дефекти в металевих деталях: тріщини в виробах; порожнини в відливках і т.п. Ультразвукові давачі відіграють важливу роль в дефектоскопії в неруйнівних методах контролю. Крім того, ультразвукові давачі використовуються в приладах для вимірювання витрачання, рівня, тиску.