ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.04.2024
Просмотров: 64
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
температуре немного ниже точки Кюри, чтобы облегчить
процесс взаимной ориентации (упорядочивания) доменов.
После охлаждения до нормальной температуры это
упорядоченное состояние доменов остается стабильным
Если снова нагреть керамику, то ее пьезоэлектрические
свойства ухудшаются, и тем больше, чем ближе температура
подходит к точке Кюри. Это обусловлено тем, что ориентация
отдельных доменов под влиянием тепла снова становится
неупорядоченной.
При температурах, превышающих точку Кюри, поляризация
становится невозможной и керамика теряет пьезосвойства
т. к. элементарные ячейки приобретают кубическую форму и
уже не имеют постоянного дипольного момента.
Механическое сжатие или растяжение, которое действует
на пластину из пьезокерамики параллельно направлению
поляризации, приводит к деформации всех элементарных
ячеек. При этом ионы внутри ячеек смещаются, и происходит
40 образование противоположных зарядов, как описывалось
выше. Так как в поляризованной керамике все домены
сориентированы одинаково, то на ее поверхности образуется
заряд.
Если нанести на противоположные поверхности пьезокера-
мической пластины металлические электроды, то получается
конденсатор, у которого диэлектриком служит керамика.
Вследствие образования заряда на поверхности при сжатии
пластины, конденсатор заряжается до некоторого напряжения.
При растяжении пластины в направлении поляризации (по
толщине) знак заряда меняется на противоположный,
следовательно, меняется и знак напряжения на пластине
(полярность электродов меняется). Таким образом, при
падении на пьезопластину звуковой волны с переменным
состоянием (сжатие-растяжение) на электродах появляется
переменное напряжение, которое имеет ту же частоту , что и
падающая звуковая волна. Амплитуда напряжения пропор-
циональна звуковому давлению волны. Так как электроды
выполняют очень тонкими (обычно путем вжигания), то они
существенного влияния на описываемые процессы не
оказывают. Таким образом, из приведенного выше видно,
что в приемнике звука используется прямой пьезоэффект.
Для излучения звука используется обратный пьезоэффект.
Для этого к пластине по оси поляризации (по толщине)
прикладывается переменное напряжение, которое вызывает
(вследствие обратного пьезоэффекта) соответствующее
изменение толщины пластины. Если в контакте с пластиной
находится вещество, которое препятствует этому изменению,
то пластина передаст на него усилие, пропорциональное
приложенному электрическому напряжению. В случае
приложения переменного давления в веществе возбуждается
переменное давление, таким образом, пластина излучает в
вещество, с которым она контактирует, продольную волну.
Форма волны будет зависеть от частоты приложенного
напряжения, размеров пьезопластины, а также от акустических
свойств контактирующего с пластиной вещества.
Строго говоря, пьезопластина не является идеальным
излучателем, т. к. она испытывает деформации не только по
оси поляризации, но и по другим направлениям. Поэтому
пластина наряду с продольной волной излучает и поперечные
волны, если она наклеена на твердое тело. Однако амплитуда
41
поперечных волн по сравнению с продольной незначительна,
поэтому в дальнейшем будем рассматривать преобразователи
с колебаниями только по толщине без других изменений
формы.
Эффективность пьезоэлектрического вещества характеризу-
ется коэффициентом преобразования электрической энергии
в механическую и наоборот. Коэффициентом преобразования
при приеме называют отношение амплитуды возбуждаемых
на электродах электрических сигналов к амплитуде
акустических колебаний падающей волны. Этот коэффициент
обратно пропорционален диэлектрической проницаемости
пьезокерамики, из которой сделана пластина, т. к. она
(проницаемость) определяет электрическую емкость пластины.
Коэффициентом преобразования при излучении называют
отношение амплитуды возбуждаемых акустических колебаний
к амплитуде возбуждающего электрического напряжения.
Важным параметром является коэффициент двойного
преобразования, который характеризует данный пьезоэлектри-
ческий материал. Этот коэффициент еще называют
коэффициентом электромеханической связи. Он определяется
отношением амплитуды электрических напряжений на
приемнике к амплитуде напряжений на излучателе без учета
потерь ультразвука при распространении между излучателем
и приемником. Например, для титаната бария коэффициент
двойного преобразования составляет 0,11, т.е на приемнике
нельзя получить напряжение, составляющее более 11 % от
напряжения на излучателе.
Пьезоэлектрические материалы.
Для возбуждения и приема ультразвука в практике контроля
чаще всего применяют пьезоэлектрическую керамику: титанат
бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС), титанат свинца,
метаниобат свинца и ниобат бария и натрия.
Пьезоэлектрические монокристаллы, например кварц,
сульфат лития, ниобат лития, оксид цинка, йодная кислота
применяются в ультразвуковом контроле только в редких
случаях. Кварц, старейший пьезоэлектрический материал, из-
за низкого коэффициента связи в настоящее время Практи-
чески не применяется. Сульфат и ниобат лития в некоторых
4 2 специальных случаях имеют преимущество перед керамикой.
Керамики ЦТС и титанат бария являются наилучшим
материалом для излучателей, т.к. имеют наибольший
коэффициент электромеханической связи.
Метаниобат свинца имеет низкую механическую добротность
(Q=15), поэтому для многих целей контроля эта керамика
может применяться без дополнительного демпфирования, что,
в свою очередь, повышает чувствительность приемника. Еще
одним важным преимуществом метаниобата свинца, а также
сульфата лития, является малый коэффициент связи для
колебаний в плоскости пластины по сравнению с коэффициен-
том связи для колебаний по толщине. Поэтому в этих
