Пьезоэлектрические преобразователи
Кристаллические естественные и искусственные материалы обладают пьезоэлектрическим эффектом - появлением электрических зарядов разного знака на противоположных плоскостях некоторых кристаллов - пьезоэлектриков - при их механических деформациях: сжатии, растяжении и т. п. Такой эффект называют прямым пьезоэффектом.
При обратном пьезоэффекте имеет место деформация (изменение размеров) кристалла под действием электрического поля. В ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователях используется обратный пьезоэффект. К естественным пьезокристаллам относят кварц и сегнетову соль; к искусственным пьезоматериалам - пьезокерамики.
Кварцевые пьезоэлектрические элементы прочны, работают при довольно высоких температурах (до + 550°С), не растворяются в воде и кислотах. Однако их применение на практике ограничивается довольно высокой стоимостью кварца н невозможностью получения из него пластин большого диаметра (свыше 50-60 мм).
Пластины из кристаллов сегнетовой соли обладают большим пьезоэффектом, но не стойки в воде и теряют свои пьезосвойства при температуре свыше 50-54°С. Поэтому применение этого материала для ультразвуковых преобразователей ограничено.
Наибольший практический интерес представляют пьезокерамики на основе титаната бария (ВаТiOз). Его готовят из гидроокиси бария и солей титановой кислоты. Пластины из пьезокерамики поляризуют, после чего они приобретают пьезоэлектрические свойства. На практике распространена пьезокерамика из цирконата-титаната свинца (ЦТС). Она обладает большим, чем титанат бария, пьезоэффектом и прочностью. Благодаря довольно высокой точке Кюри (330°С) такие пластины стойки к температурным воздействиям и могут устойчиво работать при рабочей температуре до +220- -240°С без водяного охлаждения.
Пьезокерамическая пластина ультразвукового преобразователя обычно имеет круглую форму. Ее толщина равна половине длины волны, т. е. l/2. При этом условии пластина совершает упругие колебания на основной частоте.
