, створює проблеми при проектуванні датчиків.
2 Перетворювачі УЗ коливань
Ультразвукові коливання в діапазоні частот, який використовується для діагностики, збуджуються і перетворюються в електричний сигнал за допомогою п'єзоелектричних перетворювачів. П'єзоелектричний перетворювач (ПЕП) являє собою платівку, вирізану з п'єзоелектрика вздовж певної кристалографічної осі і покриту з обох сторін металізацією, яка служить електродами (Рис.1). br/>
Якщо між гранями пластини прикласти силу F, то на її електродах з'являться заряди, а між електродами - різниця потенціалів. Якщо ж до них підвести змінну напругу U, то пластина буде здійснювати коливання. Їх амплітуда буде максимальною на частоті власного резонансу пластини, обумовленою її товщиною і механічними властивостями. /Td>
В
F
+ + + +
U
----
F
В
Малюнок 1. Пьезопреобразователь. /Td>
Найважливішими параметрами ПЕП є п'єзоелектричний модуль d, що є відношенням заряду на електродах до сили, і коефіцієнт перетворення механічної енергії в електричну:
;.
П'єзоелектричні матеріали характеризуються також діелектричної проникністю, модулем пружності, хвильовим імпедансом Z і деякими іншими параметрами, важливими для проектування ПЕП. Більшість з цих параметрів для різних напрямів (осей) у пьезокристалла має різне значення. Зазвичай пластину вирізують з такою орієнтацією, щоб отримати максимально можливі величини і.
Для ПЕП ультразвукових апаратів найбільш часто використовують синтетичні п'єзоелектрики на основі цирконата-титанату свинцю ЦТС -19 і ЦТС-23, а також PZT (США). Матеріал ЦТС представляє собою твердий розчин цирконата свинцю PbZrO 3 і титанату свинцю PbTiO 3 . Для додання цій кераміці властивостей пьезоелектрика її поміщають в сильне електричне поле, яке орієнтує окремі мікроскопічні галузі (кристаліти) в напрямку поля. Після його зняття поляризація зберігається. Одним з перших пьезоелетріков, що застосовувалися в УЗ техніці, був кварц, який володіє дуже високою добротністю, але по більшості інших параметрів істотно поступається синтетичним п'єзоелектрик. У табл. 2 наведені найважливіші параметри пьезоелектріков ЦТС-19 і PZT-4 в порівнянні з кварцом.
Таблиця Параметри пьезоелектріков
Параметри
Кварц
ЦТС-19
PZT-4
e/e0
К
п'єзомодуль, Кл/Н Г— 10
Щільність, кг/м
Хвильовий імпеданс (Z/Zволи)
Швидкість звуку, 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 аналізу перехідних процесів в ПЕП застосовують різні методи: метод диференціальних рівнянь, чотириполюсника, електричних моделей. Ці методи досить детально викладені в [1] і [2]. У методі чотириполюсника пов'язують вхідний вплив і вихідну реакцію ПЕП. Ними можуть бути різні фізичні величини. Наприклад, в режимі випромінювача вхідними величинами будуть напруга Е і струм I, а вихідними - сила F і коливальна швидкість v (рис.2).
В
Малюнок 2 Модель ПЕП у вигляді чотириполюсника
Навантаженням ПЕП є акустичний опір Z, яке за глибини локації 50 - 100 мм дорівнює середньому хвильовому акустичному импедансу В«озвучуєтьсяВ» середовища. Вхідні і вихідні величини пов'язані між собою матричним рівнянням
= ( 3)
Коефіцієнти є складними функціями фізичних параметрів ПЕП. Для малих сигналів ПЕП являє собою лінійний оборотний чотириполюсник. У режимі приймача I і v змінюють свої напрямки, а матричне рівняння буде мати вигляд
=
Коефіцієнти та пов'язані співвідношеннями:
В
пьезопреобразователь можна характеризувати коефіцієнтами передачі. Наприклад, для режиму випромінювача це буде ставлення
.
Позначивши площу ПЕП через, запишемо /, а згідно з визначенням /. З урахуванням цих співвідношень з рівняння (3) знаходимо
.
Коефіцієнти та є функціями частоти.
Для наочних уявлень часто використовують еквівалентну електричну схему ПЕП. Один з можливих варіантів такої схеми наведений на рис.3. br/>
В
Малюнок 3. Електрична модель пьезоелемента.
Тут r і L - активний опір і індуктивність зовнішньої ланцюга (Індуктивність може бути і спеціально включаемой), С-ємність між обкладинками ПЕП; L, С, r - п...
