Излучатели и приемники акустичсеких колебаний

Как мы уже говорили, ввод акустических колебаний в изделие и регистрация выходящих из изделия акустических колебаний осуществляется с помощью преобразователей электрической энергии в акустический сигнал (излучатели) и преобразователей акустической энергии в электрический сигнал (приемники).

В качестве излучателей и приемников используют чаще всего преобразователи, действие которых основано на пьезоэлектрическом и магнитострикционном эффекте.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при сжатии или растяжении пластинки из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, на ее гранях появятся электрические заряды, пропорциональные действующей силе и скорости механической деформации пластинки. Этот эффект обратим. Т.е. если мы к пьезопластинке приложим переменное электрическое поле, то ее геометрические форма и размеры будут меняться. Этим изменения пропорциональны амплитуде и скорости изменения электрического поля.

Магнитострикционный эффект заключается в изменении геометрических размеров материалов под действием изменяющегося магнитного поля. Он также обратим. Т.е. при измерении геометрических размеров магнитостриктора, вокруг него возникает изменяющееся магнитное поле, величина которого зависит от силы и скорости изменения геометрических размеров.

В упругой среде, соприкасающейся с пластиной из пьезоэлектрика или магнитостриктора, находящихся соответственно в электрическом или магнитном полях, возникают упругие колебания с частотой, определяемой частотой приложенного магнитного поля.

Максимум энергии, излучаемой в среду, будет наблюдаться при совпадении частоты возмущающего электрического или магнитного поля с частотой механического резонанса пластины.

В настоящее время известно большое число пьезоэлектрических и магнитострикционных материалов. И те, и другие широко применяются для изготовления излучателей и приемников. Правда, в качестве приемников чаще всего используются пьезоэлектрические материалы.

Кристаллы сегнетовой соли – значительно дешевле кварца. Их получают выращиванием из насыщенных растворов, получаемых путем смешения соответствующих компонентов. Легко обрабатываются. По эффективности в режиме приема и излучения намного превосходят кварц. Главный недостаток – малая механическая прочность и узкая область рабочих температур (+5…+35^оС). Кроме того кристаллы сегнетовой соли сильно гигроскопичны и растворяются в воде. Поэтому сегнетовую соль редко применяют в качестве излучателей, а чаще всего используют для изготовления приемников.

Для повышения механической прочности изготавливают преобразователи в виде пакета склеенных пластин. Такие преобразователи имеют достаточно высокую прочность и низкие резонансные частоты (из-за большой массы) (15-50кГц), что позволяет использовать их для контроля бетонов, в сейсмических исследованиях и др.

Кристаллы фосфата аммония – также механически непрочны и по своим пьезоэлектрическим свойствам близки к кристаллам сегнетовой соли. Но в отличие от них они не гигроскопичны и могут работать при температурах до +100^оС. Главный недостаток – низкая стабильность пьезоэлектрических свойств. Как и для сегнетовой соли изготавливают преобразователи в виде пакетов склеенных пластин. Наиболее целесообразно использование в качестве приемников.

Титанат бария (тибар) – это пьезокерамика, обладающая высокими пьезоэлектрическими свойствами, легко получаемая и дешевая. Изготавливают из тонкодисперсного порошка BaTiO₃ путем прессования с небольшой добавкой цементирующего материала с последующим обжигом. Таким путем получают пьезодатчики любой формы: диски, призмы, полусферы, полые циллиндры и т.п. После формовки керамические элементы шлифуют и на рабочую поверхность наносятся путем вжигания металлические (серебряные) электроды. После этого их подвергают поляризации по следующей методике: помещают в трансформаторное масло, нагревают до температуры +150^оС, подают на нее высокое напряжение (из расчета 1,2кВ/мм), выдерживают в таких условиях 30 – 60 мин, а затем медленно охлаждают. Величина пьезомодуля такого датчика быстро уменьшается в течение 10 –12 суток на 20 –40%, а затем стабилизируется.

Такие пьезопреобразователи по пьезоэлектрическим свойствам намного превышают кварц и немного уступают сегнетовой соли, но обладают низкой температурной стабильностью и большими диэлектрическими потерями. Поэтому в последнее время они чаще применяются в УЗ технологических установках. Для стабилизации характеристик применяют тибары с добавками 5%CaTiO₂ (приемники) или 5%CaTiO₃+0,75%CaCO₃ (излучатели). Однако технология изготовления таких материалов сложна и они очень хрупки.

Более стабильными являются керамические преобразователи из ниобата свинца бария [60%PbNbO₆+40%BaNbO₆] и цирконата-титаната свинца (ЦТС) [Pb_0,95Sr_0,05(Ti_0,47Zr_0,53)O₃+1%Ta₂O₅ и 1%Nb₂O₅]. Особенно большое распространение получила керамика ЦТС, являющаяся универсальной по своим свойствам, стабильной по характеристикам, дешевой. Из нее изготавливают преобразователи самых различных форм.