ferma.jpgferma10.jpgferma11.jpgferma2.jpgferma3.jpgferma4.jpgferma5.jpgferma6.jpgferma7.jpgferma8.jpgferma9.jpg

Пьезоэлектрические преобразователи


 Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрический эффект представляет собой явление, кото­рое наблюдается в образцах некоторых анизотропных материалов и заключается в нарушении равновесного распределения электричес­ких зарядов под действием механической деформации образца. Воз­можен и обратный пьезоэлектрический эффект, состоящий в меха­нической деформации среды под действием внешнего электричес­кого поля. 

Пьезоэлектрическим эффектом обладают материалы различного типа. К одному из классов таких материалов относятся естествен­ные кристаллы и кристаллические материалы (к ним относятся так­же кости человека), причем наиболее важными с точки зрения практического применения являются кварц и ниобат лития. Другой важный класс объединяет сегнетоэлектрики — аморфные материа­лы типа некоторых керамик и пластмасс, имеющих микрокристал­лическую структуру. В этих материалах устойчивый пьезоэлектрический эффект может быть создан под действием силь­ного электрического поля (такой процесс называется поляризацией).

Достаточно сложно дать исчерпывающую характеристику элект­ромеханических свойств таких материалов. По своей природе они являются анизотропными, т. е. их свойства зависят от выбранного направления относительно кристаллографических осей или осей по­ляризации. При этом для описания взаимосвязи между различными электрическими и механическими характеристиками пьезоэлектри-ков необходимо использовать тензорно-матричные уравнения. К основным параметрам, характеризующим свойства различных ма­териалов, следует отнести: коэффициент электромеханической свя­зи, определяющий ту часть электрической энергии, которая может быть преобразована в упругую энергию и наоборот; пьезоэлектри­ческий модуль, представляющий собой отношение наведенного электрического поля к единичной деформации и наоборот; диэлект­рическую проницаемость; тангенс угла диэлектрических потерь — частотно-зависимую величину, определяющую ту часть энергии, ко­торая теряется за период колебаний; плотность, упругую податливость и удельный акустический импеданс. В практическом плане важную роль играют также напряженность электрического поля пробоя, временная и температурная стабильность параметров, а также устойчивость к воздействию воды и химических веществ.

Значения перечисленных параметров для некоторых практически важных материалов представлены в табл. 2.1. С учетом того что в подавляющем большинстве медицинских и биологических прило­жений пьезоэлектрические преобразователи работают в режиме воз­буждения только продольной моды колебаний (по толщине), в таблице приведены значения соответствующих параметров, относя­щиеся лишь к этой моде. Однако нельзя пренебрегать возмож­ностью возбуждения и других мод колебаний, а также взаимодей­ствием между различными модами. В дальнейшем мы еще вернем­ся к этому вопросу.

Между указанными материалами суще­ствуют некоторые важные с точки зрения практики различия. Так, например, кварц, относящийся к естественным кристаллическим ма­териалам, характеризуется очень низкими потерями и, следовательно, обладает резко выраженными резонансными свойствами. Пластинки кварца помимо своей основной частоты могут с доста­точно высокой эффективностью работать на целом ряде своих выс­ших гармоник как в качестве излучателей, так и приемников ультра­звука. С другой стороны, из-за низкого значения коэффициента электромеханической связи для кварцевых пластинок характерна сравнительно слабая чувствительность вне резонанса. Поэтому они непригодны для работы в широкой полосе частот или для исполь­зования в качестве приемников сигналов в тех случаях, когда отсут­ствует строгий контроль за частотой. В силу указанных причин кварц с его чрезвычайно высокой стабильностью параметров используется для измерения акустических характеристик материалов на различных фиксированных частотах. Он применяется, например, для точных измерений коэффициента поглощения и скорости звука в растворах биомолекул, для оценки соотношений между дозой ультразвука и биологическим эффектом. Однако кварц, вообще го­воря, непригоден для использования в диагностике или дозиметрии.

Сегнетокерамические материалы типа цирконаттитаната свинца имеют сравнительно высокий коэффициент электромеханической связи и обладают заметной чувствительностью вне резонанса, что позволяет их использовать для работы в широкополосном режиме. С учетом высокой диэлектрической проницаемости из этих матери­алов могут быть изготовлены преобразователи достаточно малых размеров, электрический импеданс которых не будет чрезмерно большим. Значения коэффициента электромеханической связи сегне-тоэлектриков обычно почти на порядок превосходят соответствую­щие значения для кварца. Поэтому сегнетокерамические материалы стали широко применяться для генерации и приема акустических волн в медицинских приложениях.

Устойчивый пьезоэлектрический эффект может быть также по­лучен в некоторых синтетических полимерах посредством их поля­ризации в сильных постоянных электрических полях при повышен­ных температурах. Среди этих материалов наиболее перспектив­ным представляется поливинилиденфторид (ПВДФ). Хотя он обладает несколько более низким коэффициентом электромеха­нической связи и значительно меньшей по сравнению с цирконат-титанатом свинца диэлектрической проницаемостью, его удельный акустический импеданс близок к импедансу воды и мягких тканей, а его очень низкая механическая добротность Q обеспечивает воз­можность работы в широкой полосе частот. Кроме того, технологически его можно изготовить в виде тонкой гибкой пленки, что имеет большое практическое значение в ряде приложений.

Сегнетоэлектрические материалы можно резать, придавать им необходимую форму и компоновать самым различным обра­зом. Это позволяет создавать весьма универсальные и эффективные устройства генерации акустических полей. Некоторые из этих устройств будут рассмотрены в дальнейшем, а на первом этапе мы исследуем характеристики одной из простейших, но в то же время основных конструкций. Речь идет о преобразователе, рабочий эле­мент которого выполнен в форме плоского диска радиуса а с парал­лельными поверхностями. Типичная конструкция такого преобразо­вателя показана на рис. 2.2.

В данном случае диск расположен на плоской границе раздела между двумя полубесконечными средами, одной из которых может быть вода или биологическая ткань, а другая представляет собой изолирующую среду, которой обычно является воздух. 

 

При сборке преобразователя необходимо обеспечить механичес­кое крепление диска, причем способ этого крепления в существен­ной степени определяется конкретным назначением устройства. При излучении и приеме непрерывных волн или «тональных» им­пульсов большой длительности на заданной частоте преобразователь должен обладать высокой добротностью. Для ее обеспечения диск закрепляется только в периферийной области и с тыльной стороны «нагружается на воздух». При излучении и приеме корот­ких (широкополосных) импульсов желательно, чтобы преобразова­тель имел приблизительно равномерную частотную характеристи­ку. С этой целью можно задемпфировать колебания диска при резо­нансе посредством его соединения с тыльной нагрузкой, которая в идеальном случае должна быть согласована с преобразователем по акустическому импедансу. Осуществить такое соединение можно, например, с помощью заливки из эпоксидной смолы. Обычно в ка­честве демпфера используется эпоксидная смола с наполнителем из вольфрамового порошка, а в случае пьезокерамических дисков им может служить элемент из той же самой, но неполяризованной ке­рамики.

В дальнейшем будет показано, что материал тыльной нагрузки должен обладать заметным поглощением акустической энергии, с тем, чтобы предотвратить рассеяние или отражение (особенно коге­рентное) возбуждаемых в тыльной нагрузке волн в обратном на­правлении к диску. По этой причине форма и композиционный состав тыльной нагрузки должны быть тщательно подобраны.

Одна из трудностей, возникающих при использовании пьезо­электрических керамических материалов, связана с высокими значе­ниями их удельного акустического импеданса по отношению к воде (табл. 2.1). Различие импедансов приводит к плохому акустическо­му согласованию между преобразователем и рабочей средой. Так, например, в гл. 1 было показано, что при отношении импедансов, равном 14, потери энергии при двустороннем излучении определя­ются коэффициентом 0,062, т. е. составляют 12 дБ. Обычно для преодоления этих трудностей на поверхность преобразователя нано­сят один или два четвертьволновых согласующих слоя (см. разд. 1.7.4). Такой согласующий слой обеспечивает также меха­ническую защиту электродов преобразователя и изготавливается из материала, обладающего хорошей смачиваемостью для предотвра­щения возможности образования воздушной прослойки на поверх­ности (разд.  1.7.4).

Помимо указанных выше требований к акустическому демпферу при разработке конструкции корпуса преобразователя необходимо учитывать и целый ряд других специфических моментов. Необходи­мо, чтобы подводящие электрические провода и электроды могли пропускать большие мгновенные токи. При этом важно обеспечить надежность контактов, что достигается обычно с помощью низкотемпературной пайки. Изоляция должна выдерживать высокие электрические напряжения и должна быть непроницаемой для во­ды. Преобразователи, предназначенные для работы в эхо-импульс­ном режиме или режиме приема, должны быть надежно экрани­рованы, поскольку довольно часто возникает задача приема и выде­ления на фоне шумов акустических сигналов с мощностью порядка 10"12 Вт. Если для электрической экранировки используются метал­лические корпуса, то они должны быть очень хорошо акустически развязаны с рабочим элементом преобразователя. В противном случае эти корпуса будут работать как достаточно эффективные акустические линии задержки. 

Обычно при теоретическом рассмотрении предполагается, что преобразователи, сконструированные в соответствии с указанными выше требованиями, будут совершать колебания подобно простому поршню, т. е. с одинаковой колебательной скоростью по всей пло­щади поверхности рабочего элемента преобразователя. Однако та­кая модель является слишком упрощенной по крайней мере по двум причинам. Во-первых, некоторая часть акустической энергии будет расходоваться на возбуждение радиальных и изгибных мод колеба­ний, а во-вторых, при том или ином способе механического крепле­ния рабочего элемента он может оказаться зажатым в периферий­ной области. Последний эффект, представляющий собой некоторую разновидность аподизации или маскирования, может играть и по­ложительную роль, поскольку, как будет показано в дальнейшем, он приводит к уменьшению доли энергии, приходящейся в про­странственной структуре пучка на боковые лепестки. Нередко так­же наблюдается, что дефекты, возникающие в процессе изготовле­ния (например, при нарушении адгезии излучателя с тыльной на­грузкой или согласующим слоем), могут быть причиной явно выра­женного аномального поведения преобразователя. Тем не менее теорию «простого поршневого преобразователя» можно рассматри­вать как неплохое первое приближение к поведению реальных устройств.

Второе основное упрощение большинства простых теоретиче­ских моделей сводится к предположению о непрерывном режиме возбуждения волн. Несмотря на такую идеализацию (см. далее разд. 2.3), соответствующие теоретические расчеты дают весьма наглядные результаты, которые непосредственно применимы на практике для описания ультразвуковых полей терапевтических или

 



 

Рис. 2.3. Расчетные структуры полей плоских поршневых излучателей: а —нормиро­ванное распределение амплитуды звукового давления вдоль оси круглого излучателя радиуса а в случае равномерного возбуждения (а/\ - 1); 6-1 — то же для круглого излучателя с а/\ = 5; 6-2 — то же для излучателя квадратной формы со стороной / в случае //2Х = 5; 6-3 — то же для круглого излучателя с а/\ = 5 при использова­нии аподизирующей функции Гаусса; в — распределения амплитуды давления в ра­диальном направлении при фиксированных расстояниях по оси (кривые в-1, в-2 и в-3 соответствуют кривой 6-1,  кривая в-4 демонстрирует влияния аподизации).

 

доплеровских диагностических аппаратов. Некоторые примеры рас­чета поля, создаваемого круглым поршневым излучателем в режи­ме непрерывного возбуждения, представлены на рис. 2.3. Как видно, по мере роста апертуры излучателя, выраженной в длинах волн X, наблюдается тенденция к увеличению направленности (но также и к возрастанию сложности структуры поля). Кроме того, на представленных графиках можно видеть границу (определяемую достаточно условно «френелевским расстоянием» между ближним полем или зоной дифракции Френеля со сложной структу­рой и дальним полем или зоной дифракции Фраунгофера, где струк­тура пучка упрощается, а интенсивность начинает спадать обратно пропорционально квадрату расстояния по оси излучателя.

Равномерное возбуждение плоского круглого излучателя по всей поверхности представляет собой частный, но достаточно важный случай. Вопрос о «фокусирующих» излучателях, т. е. об излучате­лях с определенным законом изменения фазы и амплитуды в преде­лах их апертуры, рассматривается в разд. 2.4. Для сравнения на рис. 2.3 показана также структура поля плоского излучателя квад­ратной формы.

 

Оставить комментарий

Комментарии могут размещать все! Избегайте нецензурные слова и оскорбительные высказывания!

Защитный код
Обновить

. @Mail.ru