Теория работы ультразвукового пьезопреобразователя

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (пьезопреобразователь, трансдьюсер, ПЭП) — это устройство, преобразующее электромагнитную энергию в механическую (звуковую). Он изготавливается из пьезокерамики. Типичные примеры: ультразвуковой распылитель (атомайзер), ультразвуковая очистная ванна, медицинский датчик (В-режим) и другие.

Чтобы понять теорию работы, сначала нужно разобраться в пьезокерамике — материале, лежащем в основе преобразователя. Пьезокерамика — это функциональный электронный керамический материал, способный взаимно преобразовывать механическую и электрическую энергию. Именно благодаря этому свойству пьезокерамика уже почти 50 лет широко применяется в ультразвуковых преобразователях.

Принцип работы ультразвукового пьезопреобразователя

В основе работы лежит резонанс пьезокерамики на ультразвуковой частоте. Благодаря пьезоэффекту материал преобразует электромагнитный сигнал в механические колебания. По сути, все типы ультразвуковых преобразователей работают по одной схеме.

Рассмотрим это на примере медицинского ультразвукового преобразователя (диагностического датчика).

Режим излучения (передача сигнала)

Когда датчик работает как излучатель, электрический колебательный сигнал от генератора возбуждения вызывает изменения электрического или магнитного поля в ёмкостном или индуктивном элементе преобразователя. Эти изменения создают движущую силу, которая приводит механическую колебательную систему в рабочий режим. В результате колебательная система приводит в движение среду, контактирующую с преобразователем, и в этой среде излучаются звуковые волны.

Режим приёма (обратное преобразование)

Приём звуковых волн — это обратный процесс. Механические колебания, воздействуя на преобразователь, вызывают ответные изменения в его колебательной системе. За счёт физических эффектов в материале эти изменения приводят к появлению напряжения и тока на выходе преобразователя, которые соответствуют принятому акустическому сигналу.

Обычно излучение и приём сигналов ультразвуковым преобразователем происходят одновременно.

Конструкция медицинского ультразвукового преобразователя (датчика)

Ниже описаны основные элементы конструкции на примере медицинского датчика.

Пьезокерамический элемент (кристалл)

Это сердце PZT-преобразователя. Именно он излучает и принимает ультразвук, выполняя акусто-электрическое и электро-акустическое преобразование. Геометрия и размеры кристалла рассчитываются исходя из требований диагностики. Поскольку пьезокерамика хрупка и требует изоляции, герметизации и защиты от коррозии, кристалл помещается в корпус.

На обе стороны пьезоэлемента нанесены электроды. К верхнему и нижнему электроду припаяны провода, которые соединяются с разъёмом на корпусе для передачи электрического сигнала.

Демпфер (прокладка, поглотитель)

Также называется звукопоглощающим материалом. Демпфер ослабляет и поглощает энергию ультразвука, излучаемую пьезоэлементом в обратном направлении. Это нужно, чтобы волны не отражались внутри датчика и не вызывали послезвучание (удлинение времени «звона» кристалла). Поэтому демпфер должен обладать высокими демпфирующими свойствами и иметь акустический импеданс (сопротивление), близкий к импедансу пьезоматериала. Это условие необходимо, чтобы волны, уходящие от кристалла назад, полностью уходили в демпфер и не возвращались. В качестве материалов для демпфера используют эпоксидную смолу, вольфрамовый или ферритовый порошок, а также резиновую крошку.

Акустическая изоляция

Предотвращает попадание ультразвуковой энергии на корпус датчика, что могло бы вызвать отражения и создать помехи полезному сигналу.

Защитный слой

Защищает вибратор (пьезоэлемент) от истирания и механических повреждений. Защитный слой контактирует одновременно с вибратором и с тканью человека (или другой рабочей средой). Поэтому он должен не только предохранять вибратор, но и хорошо пропускать ультразвук без ослабления. Требования к защитному слою:

• акустический импеданс, близкий к импедансу ткани человека;
• оптимальная толщина, обеспечивающая одновременно износостойкость и хорошее пропускание.

Слой изготавливают из материалов с малым коэффициентом затухания и высокой износостойкостью. Кроме того, он может работать как градиентный акустический переходник (промежуточный слой для согласования импедансов).

Корпус

Корпус — это несущая конструкция для внутренних элементов датчика. Он выполняет следующие функции:

• поддержка и фиксация деталей;
• вмещение всех узлов;
• герметизация;
• электроизоляция;
• устойчивость к давлению;
• экранирование от помех;
• защита вибратора.

Также корпус служит для закрепления кабеля. На корпусе обычно указаны модель и номинальная частота датчика.

Иногда в корпус встраиваются дополнительные компоненты: согласующий импеданс-трансформатор, предварительный усилитель, демпфирующий резистор и регулируемая индуктивность (катушка).