Билет №7 Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.
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 = λп / 2 = C / 2fп
λп – длина волны в материале пьезопластины
Сп – скорость ультразвука в материале пластины
δ – толщина пластины
Билет №8 Форма ультразвукового пучка.
D – диаметр пьезопластины
а – радиус пьезопластины
Lбл – длина ближней зоны (зона Френеля)
Lд – длина дальней зона (зона Фраунгофера)
Φр – угол расхождения
Если размеры излучателя меньше длины волны, то от него распространяются сферические волны и излучение будет ненаправленным.
Если размеры пьезопластины существенно больше длины волны, то ультразвуковые колебания в однородном металле будут распространяться в виде направленного пучка. Вблизи от излучателя на участке, называемом ближней зоной ультразвуковая волна распространяется почти без расхождения в сторону и имеет цилиндрическую форму.
Протяженность ближней зоны:
Lбл = a2 / λ = a2 f / C
Ближняя зона увеличивается с увеличением радиуса пластины а и частоты f.
В дальней зоне или зоне Фраунгофера начинается постепенное расхождение волны и пучок приобретает форму усеченного конуса. Угол расхождения φр зависит от соотношения длины волны и радиуса излучателя:
Sin φр = 0,61λ / a = 0,61C / a f
Угол расхождения уменьшается с увеличением произведения аf. Распределение энергии в поперечном сечении конуса неравномерно, максимальная интенсивность излучения сосредоточена на оси пучка, минимальная - на периферии конуса.