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