Применение пьезокомпозитных материалов в ультразвуковых преобразователях и датчиках

Интеграция пьезокомпозитных материалов в ультразвуковые преобразователи (PZT-трансдьюсеры) привела к значительным достижениям в самых разных областях. В этой статье мы разберём основы ультразвуковых преобразователей, принципы их работы, а также разнообразное применение пьезокомпозитов: в неразрушающем контроле (НК, NDT), медицинской ультразвуковой диагностике, гидроакустике, акустике воздушной среды, измерении расхода жидкостей и газов, а также в мониторинге состояния конструкций (структурном здоровье).

Что такое ультразвуковой преобразователь?

Ультразвуковой пьезопреобразователь (PZT-трансдьюсер) — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в ультразвуковые волны и обратно. Ультразвуковые волны — это механические колебания с частотами выше порога слышимости человека, обычно более 20 кГц.

Ультразвуковые преобразователи широко используются в промышленности, медицине и научных исследованиях — например, в неразрушающем контроле, медицинской визуализации и подводной связи.

Принцип работы ультразвукового пьезопреобразователя

Ультразвуковые преобразователи работают на основе пьезоэлектрического эффекта.

• Когда на пьезоматериал подаётся электрическое поле, он механически деформируется, генерируя ультразвуковую волну.
• И наоборот: когда ультразвуковая волна попадает на пьезоматериал, он вырабатывает электрический сигнал.

Это свойство позволяет ультразвуковым преобразователям превращать электрические сигналы в ультразвуковые волны и обратно.

Применение пьезокомпозитов в ультразвуковых преобразователях для неразрушающего контроля (НК)

При неразрушающем контроле пьезокомпозитные материалы обеспечивают более высокую чувствительность и лучшее отношение сигнал/шум по сравнению с обычными PZT-материалами. Это позволяет точнее выявлять дефекты и повреждения в материалах. Благодаря этому пьезокомпозитные преобразователи становятся незаменимым инструментом контроля качества и оценки целостности конструкций.

Применение пьезокомпозитов в медицинских ультразвуковых преобразователях

В фотоакустической визуализации преобразователи из пьезокомпозитных материалов демонстрируют значительно улучшенное отношение сигнал/шум и расширенную полосу пропускания.

В медицинской ультразвуковой диагностике фокусирующие преобразователи оболочечного типа, изготовленные из пьезокомпозитов, показывают сниженный импеданс и повышенную интенсивность фокусировки. Это даёт более чёткие и точные диагностические изображения.

Применение пьезокомпозитов в гидроакустических преобразователях

Гидроакустические преобразователи (подводные акустические трансдьюсеры), изготовленные из пьезокомпозитных материалов, обладают рядом преимуществ: более высокая чувствительность и увеличенные гидростатические пьезомодули.

Эти особенности делают пьезокомпозитные преобразователи очень эффективными для подводной связи и зондирования — например, в гидролокаторах (сонарах) и океанографических исследованиях.

Применение пьезокомпозитов в ультразвуковых преобразователях для воздушной среды

Пьезокомпозитные материалы обеспечивают лучшее согласование акустических импедансов, что повышает проникновение звуковых волн в преобразователях, работающих через воздух (air-coupled).

Применяя пьезокомпозиты и двухслойную согласующую структуру, удаётся добиться плавного перехода акустического импеданса между пьезоматериалом и воздухом. Это увеличивает коэффициент передачи акустической энергии и повышает чувствительность таких преобразователей.

Применение пьезокомпозитов в измерении расхода (потоков жидкостей и газов)

Пьезокомпозиты обладают высокими пьезомодулями напряжения (g-постоянными) и, будучи объединёнными с несущей основой, почти не влияют на её механические свойства. Эти материалы быстро реагируют на изменение механического напряжения или деформации, что делает их идеальными чувствительными элементами (сенсорами) в приборах для измерения расхода.

Применение пьезокомпозитов в мониторинге состояния конструкций (структурном здоровье)

С наступлением XXI века датчики стали ключевым компонентом систем мониторинга состояния конструкций (Structural Health Monitoring, SHM). Среди распространённых типов — волоконно-оптические датчики на решётках Брэгга (FBG) и датчики на основе сплавов с эффектом памяти формы (SMA).

Однако у этих датчиков есть ограничения:

• высокая стоимость сбора информации;
• подверженность влиянию окружающей среды;
• сложность обработки сигналов при их низкой точности.

Датчики на основе пьезокомпозитных материалов в определённой степени преодолели эти проблемы, предлагая более надёжную и экономически эффективную альтернативу для мониторинга состояния конструкций.

Вывод

По сравнению с пьезокерамикой (ЦТС, PZT), пьезокомпозитные материалы обладают:

• лучшей гибкостью;
• более высокой механической прочностью;
• акустическим импедансом, который легче согласовывать;
• более широким частотным диапазоном.

По сравнению с пьезополимерами (ПВДФ, PVDF), пьезокомпозиты:

• проще в изготовлении;
• обладают более высокой пьезоактивностью.

Интеграция пьезокомпозитных материалов в ультразвуковые преобразователи значительно улучшила их производительность и расширила возможности в самых разных областях: неразрушающий контроль, медицинская диагностика, гидроакустика, акустика воздушной среды, измерение расхода и мониторинг состояния конструкций. Эти достижения открывают путь к дальнейшим инновациям и развитию в перечисленных отраслях.