Что такое пьезопреобразователь?

Ультразвуковой пьезопреобразователь (трансдьюсер, ПЭП) предназначен для преобразования подводимой электрической энергии в механическую (ультразвук) с последующим излучением. Небольшая часть мощности при этом неизбежно рассеивается внутри самого устройства.

Главная техническая задача при разработке такого преобразователя — обеспечить большую рабочую дистанцию и широкую полосу рабочих частот.

Устройство и ключевые компоненты

Преобразователь состоит из следующих элементов:

• корпус;
• согласующий слой (акустическое окно);
• пьезокерамический диск (изготавливается из материала PZT-5 с поляризацией по толщине);
• демпфирующая подложка (бэкинг);
• выходной кабель;
• приёмник на основе Cymbal-решетки (массив из 8–16 Цимбал-преобразователей, двух металлических колец и резиновых шайб).

Рабочие характеристики
Такая конструкция обеспечивает рабочее расстояние более 35 метров и полосу пропускания до 10 кГц, что позволяет обнаруживать быстро движущиеся цели на большом удалении.

Области применения пьезопреобразователей

Сферы использования ультразвуковых пьезопреобразователей очень широки. Если классифицировать по отраслям, это промышленность, сельское хозяйство, транспорт, бытовая техника, медицина и военная техника. По функциям — ультразвуковая обработка, очистка, контроль, мониторинг, телеизмерения и дистанционное управление. По рабочей среде — жидкость, газ, биологические ткани.

Пьезокерамический трансформатор

Работает на сочетании прямого и обратного пьезоэффекта. Входная часть возбуждается синусоидальным сигналом, возникает механическая вибрация, которая через связь передаётся на выходную часть, где за счёт прямого пьезоэффекта генерируется заряд. Происходит двойное преобразование: электричество → механика → электричество. Пик выходного напряжения достигается на резонансной частоте.

Преимущества перед электромагнитным трансформатором:

• малые габариты и вес;
• высокая плотность мощности и КПД;
• устойчивость к пробоям, высоким температурам, возгоранию;
• отсутствие электромагнитных помех и шумов;
• простота изготовления и пригодность для массового выпуска.

Используется в импульсных преобразователях, ноутбуках, драйверах неоновых ламп.

Ультразвуковой двигатель

Здесь статор работает как преобразователь: за счёт обратного пьезоэффекта он возбуждается на ультразвуковой частоте, а затем через силу трения между статором и ротором передаётся энергия, приводящая ротор во вращение.
Особенности: малый размер, высокий момент, отличное разрешение, простота, прямой привод (без тормозных и подшипниковых узлов). Применяется в оптике, лазерной технике, полупроводниковом производстве, точном машиностроении, робототехнике, медицине и биоинженерии.

Ультразвуковая очистка

Механизм основан на кавитации, радиационном давлении и акустических течениях в моющем растворе. Они отслаивают загрязнения и ускоряют химические реакции с моющей средой. Диапазон частот — от 10 до 500 кГц (обычно 20–50 кГц) в зависимости от типа деталей. При повышении частоты используют преобразователи Ланжевена, продольные, толщинные вибраторы. Для миниатюризации применяют изгибные и радиальные моды на дисковых излучателях. Очистка востребована везде: от промышленности и автосервиса до медицины и пищевых производств.

Ультразвуковая сварка

Делится на металлов и пластиков. Шире всего используется сварка пластиков. Энергия ультразвука от преобразователя передаётся через верхнюю деталь в зону контакта. Из-за высокого акустического сопротивления стыка возникает локальный разогрев, пластик плавится, и при контактном давлении детали соединяются.
Плюсы: возможность сваривать сложные детали, экономия на пресс-формах, высокая скорость, надёжность.

Ультразвуковая размерная обработка

Абразивная суспензия вместе с инструментом под статическим давлением воздействует на заготовку. Инструмент колеблется с амплитудой 15–40 мкм на частоте 15–40 кГц. Абразив непрерывно «вбивается» в поверхность, разрушая её микровыкрашиванием. Применяется для хрупких и твёрдых материалов: самоцветы, мрамор, агат, твёрдые сплавы, а также для фасонных и глубоких тонких отверстий. Добавление ультразвука к обычному режущему инструменту повышает точность и производительность.

Ультразвуковое снижение веса (липолиз)

Кавитация и микровибрация разрушают избыточные жировые клетки под кожей, после чего они выводятся из организма. Технология появилась в 1990-х. Итальянский врач Zocchi первым успешно применил ультразвуковую липосакцию, открыв эру пластической и эстетической хирургии. Сегодня метод активно развивается в мире.

Ультразвуковое стимулирование роста растений

Если семена обработать ультразвуком подходящей частоты и интенсивности, повышается их всхожесть, снижается плесневение, ускоряется рост. По имеющимся данным, скорость роста некоторых видов культур увеличивается в 2–3 раза.

Электронный тонометр (измерение давления)

Пьезопреобразователь фиксирует давление в сосуде. Когда манжета пережимает сосуд сильнее, чем давление расширения, сигнала нет. При постепенном стравливании воздуха в какой-то момент давления сравниваются — и преобразователь «чувствует» пульсацию сосуда. Это значение соответствует систолическому давлению. Метод избавляет от стетоскопа и снижает нагрузку на медперсонал.

Телеизмерения и дистанционное управление

В токсичных или радиоактивных средах, где людям находиться нельзя, а также для бытовых приборов (телевизоры, вентиляторы, светильники) применяют ультразвуковые пульты. Передающий преобразователь излучает ультразвук, приёмный на управляемой системе преобразует акустический сигнал в электрический и включает исполнительное устройство.

Контроль дорожного движения

Для учёта транспорта на дорогах применяют ультразвуковые системы с совмещённым приёмопередатчиком. При проезде машины возвращается звуковой импульс — подсчёт событий даёт суточную интенсивность потока. На заднем бампере автомобиля ставят такой же датчик для предотвращения столкновения при парковке. На магистралях пьезопреобразователи могут измерять уровень шума.

Ультразвуковая дальнометрия

Устройство называют «акустической линейкой». Измеряется время прохождения импульса туда и обратно одним или двумя преобразователями. Дальность — до 10 м, погрешность — доли процента.

Поиск утечек и контроль газов

В напорных системах в месте утечки из-за перепада давления возникает широкополосная струйная шумовая эмиссия. В безнапорных системах внутрь помещают ультразвуковой источник и регистрируют сигнал снаружи. При отсутствии утечки сигнал мал или равен нулю; в месте дефекта резко возрастает. Для химической промышленности важно измерение расхода газа. Пьезопреобразователь в этом случае хорош тем, что не создаёт препятствий потоку.

Сбор информации (робототехника)

Для автономного передвижения и распознавания объектов интеллектуальным роботам нужны не только дальномеры, но и ультразвуковая визуализация. Требуются миниатюрные решётки пьезопреобразователей. Это направление — один из ключевых исследовательских фронтов.