ЖУРНАЛ «СТА» №1/2003

Пьезокерамику получают путём спе- кания пьезоэлектрических микрокри- сталлов с присадками (связующими веществами). Так как после спекания диполи микрокристаллов располага- ются произвольным образом, то полу- ченная керамика поляризуется по- средством приложения высокого на- пряжения при высокой температуре. Благодаря этому вдоль оси поляриза- ции создаётся максимальное растяже- ние материала. Для упомянутых мате- риалов при воздействии напряжения в несколько сотен вольт оно составля- ет d l / l = 10 –4 . Очень важным при формировании УЗК в воздухе является корректная ре- ализация перехода между ультразвуко- вым генератором и окружающей воз- душной средой: для получения эффек- тивного излучения должна быть созда- на большая амплитуда колебаний, а для этого необходим «механизм» трансформации, который преобразо- вал бы небольшую амплитуду измене- ния параметров конденсатора (элект- ростатический метод) или пьезокера- мического элемента (ПКЭ) в большую амплитуду распространяющихся в воз- душной среде колебаний. Далее кратко описываются наиболее распространённые способы выполне- ния такой трансформации. Электростатический ультразвуковой преобразователь Основными элементами преобразо- вателя являются тонкая металлизиро- ванная пластиковая плёнка (фольга) и бороздчатая металлическая пластина, которые вместе образуют конденсатор (рис. 2). В случае подключения к плас- тине внешнего постоянного напряже- ния электростатическая сила воздейст- вует на фольгу, фольга и пластина при- тягиваются друг к другу. Переменное напряжение определённой частоты, которое накладывается на постоянное напряжение, вызывает вибрирование фольги c той же частотой. «Подпорка» постоянным напряжением необходима изза того, что сила, действующая на фольгу, пропорциональна квадрату приложенного напряжения и при ис- пользовании только переменного на- пряжения потребуется вдвое большeе по амплитуде напряжение. Пластина удерживается под постоянным давле- нием посредством плоской пружины. Возможна настройка частоты УЗК до 500 кГц. Основные характеристики: ● широкая полоса пропускания; ● малое время затухания и нарастания сигнала; ● относительно низкое акустическое давление; ● открытая конструкция. Главным недостатком таких преобра- зователей является потребность в вы- соком внешнем напряжении. Преобразователь с изгибаемыми пластинами Пьезокерамический диск приклеен к металлическому диску (рис. 3). При подключении внешнего напряжения диаметр пьезоэлектрического диска изменяется, что создаёт усилие сдвига и вызывает изгиб с определённой амп- литудой всей системы из двух дисков. Основные характеристики: ● высокие показатели электроакусти- ческого преобразования; ● относительно низкая частота; ● низкий уровень звуковых сигналов; ● узкая полоса пропускания (резо- нансная система); ● большое время затухания; ● возможна герметизированная конст- рукция. 69 СТА 1/2003 www.cta.ru В З АПИС Н УЮ К НИЖК У ИНЖЕ Н Е РА тельной влажности. Влияние относи- тельной влажности является меньшим, чем влияние температуры или давле- ния, и вносит максимальное дополни- тельное изменение скорости звука (сравниваются скорости в сухом и влажном насыщенном воздухе) около 2% [1]. Ф ОРМИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В составе ультразвуковых датчиков в большинстве случаев используются пьезоэлектрические керамические преобразователи, которые позволяют получать УЗК высокой частоты, обеспечивая тем самым лучшую на- правленность распространения ульт- развуковых волн. Кроме пьезоэлект- рического эффекта, для получения УЗК широко используется и электро- статический метод, реализуемый эле- ктростатическими преобразователя- ми. Пьезоэлектрические кристаллы имеют свойство изменять размеры (деформироваться) при воздействии на определённые поверхности крис- талла электрического напряжения — таким образом электрическая энергия может быть преобразована в механи- ческую. И наоборот, когда давление прикладывается к внешней поверхно- сти кристалла, образуется заряд, кото- рый может быть преобразован в на- пряжение. В качестве материалов для пьезо- электрических кристаллов обычно используются титанат свинца (PbTiO 3 ) и цирконат свинца (PbZrO 3 ). U~ Металлизированная пластиковая пленка (фольга) Металлическое основание Бороздчатая металлическая пластина Плоская пружина Перфорированная металлическая пластина Таблица 1. Зависимость скорости распространения звука в воздухе от температуры Рис. 1. Зависимость скорости звука от температуры и давления воздуха Рис. 2. Схематичное представление электростатического ультразвукового преобразователя T , °C –20 0 20 40 60 80 С В , м/c 319,3 331,6 343,8 355,3 366,5 377,5 Металл (Al) Керамика Рис. 3. Схематичное представление преобразователя с изгибаемыми пластинами