Способы возбуждения ультразвуковых колебаний.

Для излучения и приема упругих колебаний и волн применяют различные способы. Все они основаны на преобразовании энергии. В простейшем случае такое преобразование может происходить без изменения вида энергии( удар молотка) Однако чаще возбуждение и прием упругих колебаний сопровождается изменением вида энергии ( из электрической в механическую и наоборот).

Существует несколько способов получения ультразвуковых колебаний. Рассмотрим некоторые из них:

1) механический

2) магнитострекционный

3) пьезоэлектрический

Механический способ

Если необходимо возбуждать ультразвуковые колебания в воздухе или газах, то обычно применяют механический способ. К механическим способам относят свистки, сирены и т.д.

Частота колебаний в механических излучателях от 10 до 500 Кгц.

Магнитострикционный способ

Магнитострикция означает изменение формы и размеров тела при намагничивании. Если к намагниченному стержню подвести переменный электрический ток, то стержень начнет вибрировать.

Изменяя подводимое напряжение, изменяется и частота колебаний стержня. Так получают колебания ультразвуковой частоты. В качестве стержня используют железо, никель, кобальт и их сплавы.

Кроме стержня можно применять трубу, а также пакет, из тонких пластин, склеенных между собой. Этот способ получения ультразвуковых колебаний в основном используется для механической обработки детали. А также этот способ используется для контроля резины и бетона.

Пьезоэлектрический способ

В 1880 году братья Кюри, исследуя свойства кристаллов кварца заметили, что если пластину сжать с двух сторон, то на её гранях перпендикулярных направлению сжатия возникают электрические заряды, на одной стороне положительные, на противоположной -отрицательные.

Такими же свойствами обладают сигнетовая соль и турмалин.

При растяжении на поверхностях кварца возникают заряды, но знаков противоположных тем которые возникают при сжатии.

Явление возникновения электрических зарядов при сжатии или растяжении пластинки получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект обратим, то есть пластина кварца, помещенная в электрическое поле будет сжиматься и растягиваться с частотой, соответствующей частоте смены знаков электрических зарядов. Таким образом, пьезоэлектрические пластины становятся излучателями ультразвука. Это обратный пьезоэлектрический эффект.

Для создания электрического контакта на поверхности пьезопластины наносят тонкий слой серебра, служащий электродом. При подаче на них электрического напряжения пластина изменяет свою толщину вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта.

Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель, и наоборот, если пьезопластина воспринимает импульс давления, то на её обкладках в следствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются заряды, величина которых может быть замерена. В этом случае пластина работает как приемник. Мощность колебания пластины зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного тока и собственной частоты колебаний пластины.

Таким образом, пластина излучает ультразвуковые волны благодаря обратному пьезоэффекту, а принимает – благодаря прямому.

Наибольшую излучающую мощность можно получить при резонансе, когда собственная частота колебаний пьезопластины будет соответствовать частоте переменного тока генератора, возбуждающего его.

Пьезоэлектрическую пластину выбирают такой, чтобы её толщина была равна половине длины ультразвуковой волны в материале пластины.

δ = λ_п / 2 = C / 2f_п

λп – длина волны в материале пьезопластины

Сп – скорость ультразвука в материале пластины

δ – толщина пластины

3.2.2 Пьезоэлектрические материалы и их характеристики

В ультразвуковой дефектоскопии применяются следующие пьезоэлектрические материалы:

1) естественные – кварц, турмалин, сигнетовая соль

2) искусственные – титанат бария, ЦТС ( цирконат титанат свинца )

Кварц обладает высокой стабильностью в работе( постоянный пьезоэффект), и влагостойкостью. Точка Кюри (температрура, при которой материал теряет пьезоэлектрические свойства) 570⁰С. Он устойчив к высоким температурам и плавится при температуре t = 1470⁰С. Кварц широко не используется, так как пьезоэлектрические свойства возникают при высоком напряжении, приблизительно 1000 В и высока стоимость его изготовления. Кварц хрупкий и не выдерживает больших механических нагрузок.

Титанат бария обладает пьезоэлектрическими свойствами примерно в сто раз выше, чем у кварца. К пластинам прикладывается напряжение приблизительно 100В. У титаната бария высокая механическая прочность и высокая хрупкость. Пластину из титаната бария изготавливают путем прессования с последующим спеканием притемпературе 1500⁰С, затем поляризуют в масле, нагревая до температуры 120-150⁰С, помещают в электрическое поле и выдерживают в течении 1-2 часов. Точка Кюри 100⁰С

ЦТС – это синтетическая, спеченная из массы определенного химического состава пьезокерамика. На поверхности изготовленных таким образом пластин наносят (краской, вжиганием или напылением) металлические (серебряные, никелевые) электроды. Далее пластины выдерживают длительное время под большим постоянным напряжением (поляризуют), чтобы материал приобрел пьезосвойства. В последнее время является наиболее часто применимым для изготовления пьезопластин. Пластины имеют высокую чувствительность и работают более стабильно. Механически прочные, но хрупкие. Точка Кюри 300⁰С