Излучение и прием акустических волн

Наиболее распространенный метод излучения и приема акустических волн основан на использовании пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэффект связан с тем, что механическое воздействие, (например, сжатие) на особого рода кристаллы (пьезокристаллы) вызывает их поляризацию: одна грань заряжается положительно другая отрицательно, при растяжении знак меняется на обратный.

Обратный пьезоэффект: если кристалл поляризовать (прикладывать к граням напряжение), то он либо сжимается либо растягивается соответственно поляризации.

Пьезоэлектрический эффект связан с тем, что молекулы кристалла полярны, представляют собой диполи. При отсутствии механического воздействия, эта система нейтральна. Приложение механической нагрузки приводит к тому, что диполи слегка поворачиваются, нарушается электрическая нейтральность и наблюдается поляризация (возникает заряд на гранях кристалла). Монокристаллы некоторых диэлектриков обладают значительным пьезоэффектом. Таким веществом является, например, кварц. Кристалл кварца состоит из молекул SiO₂, а не из отдельных атомов и поэтому способен поляризоваться. Наибольшим пьезоэффектом обладают пластины кварца, вырезанные вдоль определенного кристаллографического направления, как показано на рис 3.3

Рис 3,3 Основные разновидности пьезоэлектрических материалов: кристаллы (а)и керамика (б)

Сейчас для изготовления пьезоэлектрических преобразователей,в основном,применяют специальную керамику (продукт спекания мелких частичек).

Широко применяется керамика ЦТС (цирконат-титанат свинца). Изготовление керамических преобразователей состоит из следующих основных операций: исходное вещество (например, ЦТС,) размалывают, прессуют в форме таблетки и спекают, причем спекание должно производиться при наложении электрического поля. В этом случае происходит ориентировка диполей и возникает сильный пьезоэффект.

Затем у спеченной «таблетки» серебрят торцы (для электрического контакта). Толщина «таблетки» определяет собственную резонансную частоту полученного излучателя – приемника и, тем самым, определяет рабочий диапазон частот изделия(чем тоньше пластинка, тем выше резонансная частота).

Рис 3.4 Схема ультразвукового излучателя – приемника

На рис 3.4 показано устройство ультразвукового пьезоэлектрического излучателя- приемника. Здесь 1 – пластинка-пьезопреобразователь с посеребренными торцами 3 для присоединения электродов, 2 – это демпфер – резиноподобное вещество, которое гасит паразитные колебания, 4 – протектор –это защитный слой, предохраняющий пьезопластинку 1 от истирания, 5 – слой жидкости для улучшения контакта с объектом контроля. Для того чтобы ввести ультразвуковые колебания в тело необходим хороший акустический контакт.

На рис 3.5 показаны различные варианты прохождения ультразвука из одного тела (излучателя) в другое (объект контроля).

На рис 3.5 а показано, что наличие шероховатости ухудшает акустический контакт, вызывая отражение на границе.

Присутствие на границе тонкой жидкостной пленки значительно улучшает акустический контакт (рис 3.5. б) Чаще всего для создания такой пленки используют масло или глицерин. Хороший контакт возникает, когда оба тела помещены в ванну (рис 3.5. в). Варианты акустического контакта: 1 –излучатель УЗ волн, 2 – объект контроля жидкостью

Этот метод акустического контакта называется иммерсионным. Создание хорошего акустического контакта представляет определенную трудность