ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Пьезоэлектрическая пластина как излучатель н приемник ультразвуковых волн из "Ультразвуковой контроль материалов " Ранее рассматривалось распространение и поведение ультразвуковых волн в различных веществах, причем об их возбуждении говорилось не больше того, что они возникают в веществе при контакте его поверхности с поверхностью излучателя, который создает волны желаемой формы и частоты. Предполагалось, что они обнаруживаются микрофоном, который тоже имеет контактную поверхность с веществом и позволяет измерить звуковое давление падающей на него волны. Оба эти устройства в технике ультразвукового контроля называют искателем, более конкретно излучающим или приемным искателем. Теперь следует рассмотреть принцип их действия, который почти во всех случаях без исключения основывается на пьезоэлектрическом эффекте. Другие способы возбуждения ультразвука будут описаны в главе 8. [c.138] Пьезоэлектрическое вещество (вещество, получающее электрические заряды при изменении давления) имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на его поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект был открыт в 1880 г. братьями Кюри. Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный эффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект называется прямым пьезоэлектрическим, а второй — обратным. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй — для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний. [c.138] Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки (единичной ячейки) структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Выло показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейке. Во всяком случае из 32 вообще возможных классов кристаллов это свойство имеет 21 класс, из которых 20 фактически являются пьезоэлектрическими. Это значит, что в природе имеется сравнительно большое число пьезоэлектрических материалов, из которых, однако, к практическому использованию пригодны лишь немногие. Такие материалы будут описаны более подробно в конце настоящего раздела. [c.138] Последующий нагрев поляризованной керамики ведет к снижению ферроэлектрических свойств, которые ухудшаются тем быстрее, чем ближе мы подходим к температуре превращения. Это обусловливается тем, что отдельные домены под влиянием тепла снова приобретают статистическое распределение. Выше температуры превращения поляризация невозможна, так как элементарные ячейки переходят в кубическую форму и поэтому уже не имеют постоянного дипольного момента. [c.140] Механическое сжатие или растяжение, действующее на пластину из ВаТ10з параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности. [c.140] Для удобного отвода зарядов на обеих сторонах пластины наносят металлические электроды, например, прочно держащиеся серебряные покрытия. Этн покрытия образуют электрический конденсатор с кристаллом как диэлектриком. Вследствие смещения зарядов при приложении давления к пластине конденсатор заряжается до некоторого напряжения, измеряемого вольтметром. Однако нужно обеспечить полную электрическую изоляцию и измерение без потерь. Иначе при наложении давления будет выявлен только пик напряжения, и заряды стекут в виде импульса тока. Более трудно растянуть кристалл в направлении толщины. При этом установлено, что заряды меняют свой знак. [c.140] Следовательно, если сжатие меняет знак, т. е. переходит в растяжение, то меняется и знак напряжения на пластине. Поэтому при падении звуковой волны с ее переменным состоянием растяжения и сжатия на пластину пластина выдает переменное напряжение с той же частотой, что и у волны. Амплитуда напряжения пропорциональна звуковому давлению пластина становится микрофоном. Одна из ее сторон служит приемной поверхностью, причем достаточно тонкий слой металлического покрытия на ней не создает помех. [c.140] Однако, строго говоря, пьезоэлектрическая пластина не является таким идеальным излучателем, потому что она испытывает и другие деформации (см. рис. 7,3, б и е). Даже в случае обычного твердого и упругого материала только такая деформация, как на рис. 7.3, а, невозможна, потому что она всегда связана с изменением поперечных размеров, В случае титаната бария ВаТ10з и всех других пьезоэлектрических веществ условия намного более сложны и могут быть различными в зави симости от их кристаллического строения. Их нельзя описать без применения сложного математического аппарата. Дополнительные деформации пластины наглядно показаны на рис. 7.3, б и е. В направлении оси У происходит либо сильное растяжение, либо укорочение. Сюда добавляется сдвиг, из-за которого пластина, первоначально имевшая форму прямоугольника, приобретает форму ромба. Здесь перечислены только те деформации, которые вызваны непосредственно действием электрического напряжения. К ним добавляются и другие деформации, вызванные чисто механической связью, например сжатие в направлении оси Z, которым мы здесь пренебрегаем. [c.141] Растяжение в направлении оси У иногда используется также-и для излучения продольных волн узкой стороной Х-Е, особенно при возбуждении низкими частотами, поскольку соответ-ствуюш,ие собственные частоты (см. раздел 7.2) намного ниже, чем частота колебаний по толщине. При этом имеется то преимущество, что излучающая и контактирующая поверхности излучателя не несут на себе металлического электрода. [c.142] У пьезоэлектрической пластины поперечные волны в направлении оси X в жидкостях и при жидком акустическом контакте с твердым телом не передаются. Следовательно, она может излучать только одни продольные волны. Тем не менее, пластина ведет себя не строго как поршневой излучатель, что обусловлено краевым эффектом изменение толщины пластины, строго говоря, определяется не самим приложенным электрическим напряженйем, а напряженностью электрического поля,, созданного им. Между тем эта напряженность ввиду выпучивания силовых линий на краю меньше, чем в середине пластины. Влияние уменьшенного излучения от краев на форму звукового поля описано в разделе 4.8. [c.142] На рис. 7.3 изменение формы пьезопластины показано в правильном соотношении, но с увеличением фактических изменений длины и углов сдвига в миллион раз. В основу расчета были положены размеры х=5 мм, г/=30 мм и 2=20 мм при напряжении 1000 В, обычно встречающиеся на практике. Таким образом, в действительности деформации чрезвычайно малы. Показанные размеры они не могут принимать даже и при более высоких напряжениях, так как уже достигается предел упругости керамики. Линейная зависимость от напряжения соблюдается только до напряжений в несколько тысяч вольт. [c.142] При рассматривавшемся выше возбуждении продольных, волн поперечная связь (контакт) нежелательна напротив,, пьезоэлектрическая керамика с большой поперечной связью-применяется для возбуждения поперечных волн. В этом случае квадратный стержень (рис. 7.4) сначала поляризуется перпендикулярно к двум его длинным сторонам (иапример, в направлении оси X). Затем его разрезают на пластины, плоскоств которых (например, плоскости А —Z) параллельны направлению поляризации. Изготовленные таким способом пластины называются излучателями сдвиговых волн, так как резонансная частота их собственных колебаний определяется их толщиной (см. раздел 7.2). При этом электроды накладывают на пластину со стороны большей площади. [c.142] Наряду с рассматривавшейся выше пьезоэлектрической керамикой, которая обнаруживает макроскопический пьезоэлектрический эффект только после процесса поляризации, имеется также ряд монокристаллических веществ, которые являются пьезоэлектрическими в связи с особенностями своей внутренней структуры. Нижеследующие соображения, относящиеся к пьезоэлектрическим константам, характеризующим материал, распространяются и на все пьезоэлектрические вещества. Так как эти -вещества используются для контроля материалов, главным образом, в форме пластин для возбуждения акустических колебаний и служат для их преобразования в электрические сигналы, их сокращенно именуют излучателями или преобразователями. [c.143] Далее рассматривается одномерный случай, т. е. излучатель с колебаниями только по толщине без других изменений формы. Тогда можно описать статический случай обоих пьезоэффектов в элементарном виде следующим образом. [c.143] Следовательно, если излучатель используется только как передающее устройство, для него желательно иметь возможно более высокий пьезоэлектрический модуль. [c.144] Для других кристаллов, разумеется, должны выбираться другие оси, и численные значения будут другими. [c.144] Возможно, что более высокая пьезоэлектрическая константа давления выгодна во всех тех случаях, когда механическое давление нужно преобразовать в высокое электрическое напряжение. [c.144] Наряду с электромеханическим коэффициентом связи для колебаний пластин по толщине особое значение имеет также коэффициент связи для радиальных колебаний, так как его величина определяет обычно нежелательные колебания помех. Значение кр должно быть возможно меньшим по сравнению с йь так как иначе часть энергии, приложенной для возбуждения излучателя, будет потеряна или даже появится в виде нежелательной формы колебаний в пластине как помеха. Чем больше коэффициент кр, тем сильнее отклоняется излучатель от первоначально принятого идеального поведения излучателя, колеблющегося только по толщине. [c.145] Кроме пьезоэлектрических констант, решающее значение при контроле материалов имеют также механическая добротность излучателя Qm и его звуковое сопротивление I. [c.145] Механическая добротность Qm является критерием превышения резонанса в механической системе, способной к колебаниям, образованной пьезоэлектрической пластиной. Следовательно, добротность Qm тем выше, чем меньше механические потери в керамике. У монокристаллических материалов, например у кварца (Ст 10 ), добротность очень высока и на нее нельзя повлиять напротив, в случае пьезоэлектрической керамики добротность, как и другие константы материала, могут быть изменены в широких пределах небольшим изменением химического состава и выбраны по желанию. Обычные промышленные марки керамики имеют добротность в пределах от 15 до 1000 (см. табл. 7.1). [c.145] Вернуться к основной статье