ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Кристаллы для излучения и приема ультразвука из "Ультразвук " Существует ряд способов получения ультразвука. Наиболее часто для этой цели используют кристаллы кварца. [c.57] Замечания общего характера. В качестве электромеханических преобразователей наиболее известны пьезоэлектрические и магнитострикционные имеются также еще другие типы преобразователей — электромагнитные и электростатические. Последние два типа применяются главным образом для излучения звуковых волн и не представляют большого интереса в области ультразвуковых частот. Пьезоэлектрические кристаллы представляют наибольший интерес в ультразвуковой технике, хотя эффект магнито-стрикции в настоящее время также широко используется, и далее мы остановимся на нем особо. Пьезоэлектрический эффект имеет место для целого ряда как естественных, так и искусственно выращенных кристаллов и состоит в изменении размеров кристалла, если его поверхность получает некоторый электрический заряд. [c.57] Кристаллы кварца особенно эффективно используются для излучения ультразвуковых волн в жидкости и твердые тела, поскольку эти среды имеют большое акустическое сопротивление. В тех случаях, когда акустическое сопротивление среды невелико, отношение между мощностью, подаваемой на колеблющийся кристалл, и мощностью, излучаемой в эту среду (например, газ), мало и излучение весьма неэффективно. [c.57] При работе на высоких ультразвуковых частотах в тех случаях, когда может быть обеспечен хороший контакт между электромеханическим преобразователем и твердым телом или когда не требуется получения большой мощности, для излучения продольных волн или волн сдвига наиболее часто применяется кристалл кварца. [c.57] Ультразвуковые частоты, которые можно получать при помощи кварцевых пластинок, лежат в диапазоне от нескольких сот килогерц до 15 мггц (при работе на основных резонансных частотах пластинок) работая на гармониках, можно получать еще более высокие частоты. [c.57] Кристалл кварца будет периодически изменять свои размеры, если к его поверхности приложить переменное напряжение при этом он будет излучать ультразвуковые волны. И наоборот, если кварцевую пластинку привести в механическое колебание, то на ее обкладках появится переменное электрическое напряжение. Устройство, предложенное Ланжевеном, не было использовано в войну 1914—1918 гг., поскольку исследования в области ультразвука еще только начинались. Тем не менее, начиная с этого времени, кристалл кварца становится основой большого числа гидроакустических устройств, приборов для подводной сигнализации и эхолотов. Со времени изобретения Лан-жевена была произведена огромная экспериментальная работа в этом направлении. [c.58] ЛИНИЯ определит оптическую ось кристалла (ось г). Электрическая ось определяется линией, соединяющей противоположные углы шестигранной призмы (ось х) имеются поэтому три оси х в каждом естественном кристалле кварца. Ось у направлена перпендикулярно к каждой площадке призмы этих осей существует в кристалле также три. Как оси х, так и оси у перпендикулярны к оптической оси г. [c.60] Пластинки могут быть вырезаны из кристалла перпендикулярно к каждой из трех осей (а также многими другими способами), и в каждом случае они имеют определенные специфические свойства. Наиболее тонкие пластинки кварца могут иметь собственные частоты колебаний (по толщине) до 10—15 мггц. [c.60] На фиг. 29 изображена деформация кварцевой пластинки X- и У-срезов, наиболее распространенных в ультразвуковой технике, при наложении электрического поля по толищне пластинки. [c.60] Пьезоэлектрический эффект [3]. Свойство некоторых кристаллов создавать заряд при приложении к ним механического давления или растяжения впервые было обнаружено братьями Кюри в 1880 г. Это явление позже было названо пьезоэлектрическим эффектом. Эксперименты Кюри показали, что имеется линейная зависимость между величиной приложенного механического давления и величиной появляющегося заряда. Кроме того, было обнаружено, что знак заряда изменяется, если сжатие заменяется растяжением. Этот эффект имеет место также и у других типов кристаллов. [c.60] Как уже упоминалось, в последние годы нашли применение искусственно выращиваемые кристаллы, которые использовались для целей гидроакустики эти кристаллы, однако, мало подходят для прозвучивания твердых тел. [c.60] Пластинки, применяемые в ультразвуковой технике, обычно вырезаются под прямыми углами к этой оси (А -срез) прп этом получается максимальный пьезоэффект. [c.61] Если пластинка вырезана из кристалла перпендикулярно к направлению X или у, то сжатие по оси х приводит к появлению заряда на гранях, перпендикулярных к этой оси. Это явление носит название прямого продольного пьезоэффекта. Прямой поперечный пьезоэффект состоит в том, что если по оси у производится растяжение, то на-гранях, перпендикулярных к оси х, появляются такие же самые заряды, что и при прямом продольном эффекте. [c.61] Обратный пьезоэлектрический эффект. В 1881 г. Липпман указал, что, кроме прямого пьезоэффекта (появление зарядов на соответствующим образом вырезанной кварцевой пластинке прн ее механических деформациях), должен также существовать и обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что при сообщении электрического заряда граням пластинки последняя будет изменять свои размеры. Этот эффект может быть обратным продольным или обратным поперечным пьезоэффектом, в зависимости от того, взята ли пластинка X- или У-среза соответственно. Если знак сообщенного заряда изменяется, сжатие пластинки меняется на растяжение, и обратно. [c.61] Величины сжатий и растяжений для кварца определены на опыте Фогтом [4], который показал, что продольный эффект в кварцевой пластинке Х-среза пропорционален величине приложенного напряжения и не зависит от толщины При напряжении 3000 в на гранях пластинки Х-среза растяжение составляет 6,36 10 см [5]. Такие незначительные деформации очень трудно измерить. Однако в литературе были описаны методы, при помощи которых это можно сделать. [c.61] Когда к граням кварцевой пластинки приложено переменное напряжение высокой частоты, подобранное так, чтобы пластинка могла резонировать, то она будет совершать при этой частоте сильные колебания, следуя изменению приложенного электрического поля. Грани пластинки будут двигаться относительно друг друга, и если одна из граней пластинки соприкасается с какой-либо средой, в которой могут распространяться ультразвуковые волны, то эта поверхность будет излучать в среду ультразвук. [c.62] Теоретически не необходимо, чтобы пластинка возбуждалась обязательно на резонансной частоте. Подавая достаточно большое напряжение, можно заставить колебаться пластинку и не на резонансной частоте в этом случае амплитуда колебаний пластинки будет, разумеется, меньше, чем амплитуда колебаний при резонансе поэтому обычно стараются возбуждать пластинки на их собственной частоте. В ряде случаев все-таки приходится возбуждать пластинки на частоте, отличной от ее основной собственной частоты. К таким случаям относится, например, работа толстой пластинки на гармониках или использование высокочастотной пластинки для излучения более низких частот. В последнем случае существенна возможность получения излучения в сравнительно широкой полосе частот в области ниже собственной частоты пластинки, что имеет значение при исследовании резонансных свойств самой среды. [c.62] Кварцевые пластинки, работающие в воздухе, можно очень точно подогнать к заданной частоте. Логарифмический декремент затухания для таких пластинок имеет величину около 1 10 в случае специальных держателей декремент можно сделать еще меньше. Контакт пластинки с любой средой увеличивает декремент затухания и расширяет резонансную кривую пластинки. [c.62] Выяснено, что в случае Х-среза основная излучающая поверхность пластинки колеблется не точно, как поршень амплитуды колебаний отдельных ее точек различаются по величине, и на ней образуются так называемые фигуры Хладны. [c.63] Вернуться к основной статье