книги / Применения ультразвука

где g3J —пьезоэлектрическая константа давления.

Ситуация, подобная вышеописанной, возникает, когда пьезо­ электрический элемент используется в качестве приемника. Следовательно, чтобы преобразующий элемент мог принимать ультразвук, значение g33 должно быть максимально высоким. Значения коэффициентов упругости, пьезоэлектрических конс­ тант деформации и давления для кристаллического кварца, а так­ же пьезоэлектрического керамического титаната бария приведе­ ны в табл. 3.1.

Рассмотрим ситуацию, когда два пьезоэлемента, выполнен­ ные в форме пластин, контактируют друг с другом и помещены в неподвижную (абсолютно жесткую) среду. При таком расположе­ нии механическая деформация (изменение толщины), создавае­ мая одной из пластин, будет передаваться другой, то есть xt = хг. В данном случае отношение Vr/Vt показывает потенциал любого материала или комбинации материалов в роли ультразвукового преобразователя. В хорошем преобразующем материале отноше­ ние VJ Vtбудет высоким. С другой стороны, низкое значение VJ Vt указывает на низкую эффективность преобразователя как в роли приемника, так и в роли передатчика.

Табл. 3.1. Пьезоэлектрические константы для ^-кристаллов кварца и поляризованного пьезоэлектрического керамического титаната бария

Из уравнений (3.11 ) и (3.12) получаем:

К1К=КА,- (3.14)

3.3.3. Преимущества и недостатки кварца

Можно выделить следующие преимущества кристалла кварца в качестве преобразователя:

1 ) обладает высокой механической и электрической стабиль­ ностью;

2 ) может работать при повышенных температурах;

3)не поддается старению;

4)не растворяется в большинстве жидкостей.

Также существует ряд недостатков:

1 ) имеет тенденцию изменять типы волн;

2 ) плохой передатчик;

3) низкая эффективность электромеханического преобразова­ ния.

3.4. Преобразующие материалы

Ниже перечислены некоторые преобразующие материалы, ис­ пользуемые при создании преобразователей:

1 ) пьезоэлектрическая керамика;

2 ) полимеры;

3) новые материалы. Рассмотрим их более подробно.

3.4.1. Пьезоэлектрические керамические материалы

Любой пьезоэлектрический материал можно использовать в ка­ честве ультразвукового передатчика или приемника, если он выра­ щен в виде подходящего кристалла большого размера и разрезан в нужном направлении, чтобы обеспечить максимальную продоль­ ную или поперечную деформацию. Как правило, не используют элементы с поликристаллической структурой, поскольку каждый структурный элемент ориентирован в своем направлении и посвоему искажает поле. Наличие подобных искажений приводит к тому, что генерируемое пьезоэлементом суммарное результи­ рующее напряжение равно нулю. В данной ситуации проще по­ лучить более высокие значения Kf (эффективность продольной электромеханической связи), используя природные материалы, такие как кварц или сульфат лития. Наиболее важные параметры

(плотность, скорость ультразвука и т.д.) пьезоэлектрических ма­ териалов приведены в табл. 3.2.

Некоторые сегнетоэлекгрические материалы помогают най­ ти решение вышеозначенной проблемы. Они тоже являются поликристаллическими пьезоэлектриками, но их структурные элементы могут быть в какой-то степени переориентированы, если поместить их в сильное электрическое поле (несколько тысяч вольт на сантиметр). Основным механизмом является упорядочивание областей, что аналогично свойствам ферро­ магнитных материалов в магнитном поле. Этот процесс назы­ вается поляризацией. При поляризации материал нагревается до температуры, превышающей точку Кюри. Затем его охлаж­ дают в соответствующем электрическом поле. Здесь очень важ­ но выбрать напряженность электрического поля в зависимости от сегнетоэлекгрического материала, чтобы избежать внешних разрушений. Цирконат титанат свинца, титанат бария, метаниобат свинца и т.д. — все это примеры сегнетоэлектрических ма­ териалов, превращенных в пьезоэлектрические керамические преобразователи с помощью процесса поляризации. Многие из этих материалов имеют более высокие значения Кг 2по сравне­ нию с монокристаллическими материалами. Значения Кг 2для трех различных пьезоэлектрических керамических материалов приведены в табл. 3.3.

3,4.2. Полимерные материалы

Многие органические материалы, такие как дерево, шелк, кость и т.д., обладают пьезоэлектрическими характеристиками. В 1968 го­ ду Фукуда впервые продемонстрировал использование высокомо­ лекулярной полимерной пленки (у—метил, 1,-глутамат) в экспе­ риментальных микрофонах и наушниках. Однако этот материал оказался неэффективным, поэтому изготавливаемые из него пре­ образователи не нашли коммерческого применения.

В 1969 году Каваи открыл материал, который подавал еще больше надежд. Это была одноосно растянутая пленка поливинилиденфторида (PVDF). Данный материал проявляет пьезоэлект­ рические свойства, сопоставимые со свойствами традиционных пьезоэлектрических преобразующих материалов. Его можно по­ ляризовать, так же как и керамические материалы, что было опи­ сано Тамурой в 1975 году.

Табл. 3.2. Важные параметры/константы некоторых пьезоэлек­ трических материалов

ческой связи для радиальных колебаний Кг

преобразующие материалы PVDFло сих пор сохраняют свое пре­ имущество, которое проявляется в согласовании импеданса.

Во многих устройствах ультразвуковая энергия должна про­ ходить через слой жидкости, прежде чем попадет в образец, и в этом плане полимер более эффективен, чем пьезокерамика. Учитывая это, отметим широкое применение преобразователей PVDFв условиях составной среды (состоящей из нескольких сло­ ев). Особым преимуществом полимерного материала является его гибкость, которая позволяет создавать преобразователи сложных форм без какой-либо подгонки или выравнивания. Среди прочих преимуществ стоит упомянуть улучшение поверхностного разре­ шения при проведении неразрушающих испытаний и повышение соотношения сигнал/шум в исследовании/определении характе­ ристик акустически шумных материалов. В литературе (см. спи­ сок в конце главы) описан ряд исследований, касающихся обра­ ботки и применения материалов PVDFvi преобразователей.

В табл. 3.4 сравниваются свойства пьезокерамических и пье­ зополимерных материалов. Каждый параметр получает качест­ венную оценку («высокий» или «низкий») и отмечается знаком «плюс» (преимущество) или «минус» (недостаток). Для упроще­ ния понимания в табл. 3.5 приведены рабочие характеристики PVDFи пьезокерамических материалов.

Табл. 3.4. Сравнение свойств пьезокерамики и пьезополимеров

к

*?)

где h33= (Uf/ef3)1/2, е33—диэлектрическая проницаемость мате­

K,t

2 риала при постоянной нагрузке (для механически зажатого пье­

зоэлемента), Uf3—скорость ультразвука при постоянной дефор­ мации (при действии постоянной электрической индукции).

Аналогично параметр„эффективностиKK,t приемника задается в

или £я = — — (3.18) виде:

и и

Произведение 2 ^ , конечно же, показывает характеристику отдельно взятого преобразующего элемента в операции передачаприем и выражается следующим образом:

Как правило, не очень удобно использовать параметр толщи­ ны t в равенстве (3.18), поскольку толщина в большей степени характеризует частоту и конструкцию преобразователя. Заменив толщину параметром скорости, мы получим:

где значение скорости U, как правило, берут в литературе. Удобно рассматривать 2Г 2Й и 2 ^ в качестве безразмерных

параметров для сравнения керамики с таким стандартным мате­ риалом, как кварц. Значения 2р 2Йи произведение 2 ^ рассчита­ ны для некоторых наиболее распространенных пьезоэлектричес­ ких материалов, таб. 3.6.

Табл. З.б. Эффективности наиболее распространенных пьезо­ электрических преобразующих материалов в качестве передатчи­ ков, приемников и трансиверов (приемопередатчиков)

Сравнение, выполненное в таблице 3.6, подтверждает ряд из­ вестных характеристик. В роли передатчиков сегнетоэлекгрическим керамическим материалам нет равных, особенно это касается PZTvi метаниобата свинца. Эффективность передачи сульфата ли­ тия, полимера PVDF и сегнетоэлекгрического материала титаната бария выше, чем у кварца. С другой стороны, в качестве приемни­ ков лидируют такие материалы, как кварц, оксид цинка и PVDF, в то время как PZT значительно отстает от них. Сочетая данные характеристики, получаем, что наиболее эффективными являют­ ся PZT и метаниобат свинца, которым в настоящее время принад­ лежит, вероятно, 95% рынка преобразователей. Удивительно, но с точки зрения эффективности PVDF уступает PZT (показатель первого составляет 60% от показателя второго). Однако у этого материала есть множество достоинств, позволяющих создавать надежные и воспроизводимые ультразвуковые преобразователи (Бэйнтон и др. 1981). Возникает вопрос: так почему в настоящее время он не нашел более широкого применения? Одним из фак­ торов, обусловливающих данное обстоятельство, является низкая доступность материала, и даже если он есть в наличии, то только