Преобразователи УЗ колебаний

2 Преобразователи УЗ колебаний

Ультразвуковые колебания в диапазоне частот, который используется для диагностики, возбуждаются и преобразуются в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) представляет собой пластинку, вырезанную из пьезоэлектрика вдоль определенной кристаллографической оси и покрытую с обеих сторон металлизацией, которая служит электродами (рис.1).

Если между гранями пластины приложить силу F, то на ее электродах появятся заряды, а между электродами – разность потенциалов. Если же к ним подвести переменное напряжение U, то пластина будет совершать колебания. Их амплитуда будет максимальной на частоте собственного резонанса пластины, определяемой ее толщиной и механическими свойствами.

F  + + + +  U  - - - -  F    Рисунок 1. Пьезопреобразователь.

Важнейшими параметрами ПЭП являются пьезоэлектрический модуль d, представляющий собой отношение заряда на электродах к силе, и коэффициент преобразования механической энергии в электрическую :

; .

Пьезоэлектрические материалы характеризуются также диэлектрической проницаемостью , модулем упругости, волновым импедансом Z и некоторыми другими параметрами, важными для проектирования ПЭП. Большинство из этих параметров для разных направлений (осей) в пьезокристалле имеет разное значение. Обычно пластину вырезают с такой ориентацией, чтобы получить максимально возможные величины  и .

Для ПЭП ультразвуковых аппаратов наиболее часто используют синтетические пьезоэлектрики на основе цирконата-титаната свинца ЦТС -19 и ЦТС-23, а также PZT (США). Материал ЦТС представляет собой твердый раствор цирконата свинца PbZrO₃ и титаната свинца PbTiO₃. Для придания этой керамике свойств пьезоэлектрика ее помещают в сильное электрическое поле, которое ориентирует отдельные микроскопические области (кристаллиты) в направлении поля. После его снятия поляризация сохраняется. Одним из первых пьезоэлетриков, применявшихся в УЗ технике, был кварц, который обладает очень высокой добротностью, но по большинству других параметров существенно уступает синтетическим пьезоэлектрикам. В табл. 2 приведены важнейшие параметры пьезоэлектриков ЦТС-19 и PZT-4 в сравнении с кварцем.

Таблица Параметры пьезоэлектриков

Параметры	Кварц	ЦТС-19	PZT-4
e /e0 К Пьезомодуль, Кл/Н ×10 Плотность, кг/м Волновой импеданс (Z/Zволы) Скорость звука, м/c	5 0,01 2 2650 7,6 5750	1490 0,64 304 7700 14 4000	3400 0,75 593 7500 14,7 4500

Для анализа переходных процессов в ПЭП применяют различные методы : метод дифференциальных уравнений, четырехполюсника , электрических моделей. Эти методы достаточно подробно изложены в [1] и [2]. В методе четырехполюсника связывают входное воздействие и выходную реакцию ПЭП. Ими могут быть различные физические величины. Например, в режиме излучателя входными величинами будут напряжение Е и ток I, а выходными – сила F и колебательная скорость v ( рис.2).

Рисунок 2 Модель ПЭП в виде четырехполюсника

Нагрузкой ПЭП является акустическое сопротивление Z, которое при глубине локации 50 – 100 мм равно среднему волновому акустическому импедансу «озвучиваемой» среды. Входные и выходные величины связаны между собой матричным уравнением

 =   ( 3)

Коэффициенты  являются сложными функциями физических параметров ПЭП. Для малых сигналов ПЭП представляет собой линейный обратимый четырехполюсник. В режиме приемника I и v изменяют свои направления, а матричное уравнение будет иметь вид

 =

Коэффициенты  и  связаны соотношениями:

   

Пьезопреобразователь можно характеризовать коэффициентами передачи. Например, для режима излучателя это будет отношение

.

Обозначив площадь ПЭП через , запишем /, а согласно определению /. С учетом этих соотношений из уравнения (3) находим

.

Коэффициенты  и  являются функциями частоты.

Для наглядных представлений часто используют эквивалентную электрическую схему ПЭП. Один из возможных вариантов такой схемы приведен на рис.3.

Рисунок 3. Электрическая модель пьезоэлемента.

Здесь r и L - активное сопротивление и индуктивность внешней цепи (индуктивность может быть и специально включаемой), С- емкость между обкладками ПЭП; L, С, r - параметры электрической модели ПЭП, отражающие его механические свойства. Вследствие большой диэлектрической проницаемости пьезоэлектриков ЦТС емкость С ПЭП даже при его небольших размерах может быть сравнительно большой - сотни пФ.

Как видим, электрическая модель ПЭП представляет собой систему связанных контуров, поэтому в ней возможен резонанс на двух частотах. Последовательный контур L, C, r имеет высокую добротность, которая отражает высокую собственную механическую добротность пьезокристалла. Однако, как увидим далее, она не должна быть слишком высокой при импульсной локации объектов и ее уменьшают электрическим (включением внешних элементов) и механическим путем (демпфированием).