2. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект
Известно, что звук слышимого диапазона можно воспроизвести обычным электродинамическим громкоговорителем, который превращает электрические колебания в механические. Уловить звук слышимого диапазона можно с помощью электродинамического микрофона, который превращает механические колебания в электрические. Однако эти приборы не годятся для УЗ колебаний, так как подвижная часть этих приборов обладает очень большой инерцией и не сможет колебаться с частотой УЗ. Значит, для улавливания и излучения УЗ нужно использовать другое техническое решение. Такое решение существует. В его основе лежит такое физическое явление, как пьезоэлектрический эффект. Он основан на свойстве некоторых монокристаллов создавать на своих гранях электрические заряды при их деформации внешней силой (прямой пьезоэлектрический эффект); а также деформироваться при приложении к их граням электрического напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект). К таким кристаллам относится монокристалл кварца. Он представляет собой окись кремния
(SiO2). Если такой кристалл сжимать или растягивать вдоль его определённой оси, то на его гранях появляются электрические заряды. Их полярность, т.е. положение плюса и минуса зависит от того, сжимается кристалл или растягивается. При этом величина этих электрических зарядов пропорциональна величине механического усилия. Это и естьпрямой пьезоэлектрический эффект.
Ниже приведён шуточный рисунок, иллюстрирующий это явление.
При сжатии кристалла на его гранях появляется электрическое напряжение.
При растяжении кристалла на его гранях появляется напряжение обратной
Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект – явление обратимое, поэтому далее будет рассмотрен обратный пьезоэлектрический эффект.
Если к этому же элементу приложить электрическое поле так, что направление силовых линий совпадёт с направлением главной оси кристалла, то электрическое поле будет либо растягивать кристалл, либо его сжимать.
3. Приём и излучение ультразвука
Если кристалл кварца (в дальнейшем – пьезокристалл) деформировать вдоль его главной оси периодически действующей силой, то на гранях пьезокристалла будет генерироваться переменное напряжение. Форма и частота напряжения будут в точности равны форме и частоте прикладываемой силе. Что характерно, кристалл будет реагировать на любую, сколь угодно большую частоту изменения внешней силы. Если на этот кристалл направить поток УЗ волн, то кристалл будет периодически сжиматься и растягиваться с частотой УЗ, при этом на его гранях будет вырабатываться напряжение той же УЗ частоты. Таким образом мы разобрались в том, как работает преобразователь
механических колебаний в электрические, т.е. своеобразный микрофон для ультразвука.
Кварц в роли приёмника ультразвука.
Если на грани пьезокристалла подать переменное напряжение УЗ частоты, то он будет излучать механические волны той же частоты. При этом можно подавать практически любую частоту и кристалл будет успевать колебаться, так как инертная масса кристалла здесь роли практически не играет.
Кварц в роли излучателя ультразвука
Как видно из предыдущего, излучатель и приёмник УЗ устроены практически одинаковои их можно менять ролями, или можно один и тот же пьезокристалл переключать с излучения УЗ на приём и наоборот.
1. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Магнитострикционный эффект. Тензоэффект.
Пьезоэффект – это полное преобразование электрической энергии в механическую и обратно.
При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, например) под воздействием ультразвуковых волн на их поверхности возникают противоположные по знаку электрические заряды – прямой пьезоэлектрический эффект (механические деформации пластины вызывают появление электрических зарядов на ее гранях).
При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн – обратный пьезоэлектрический эффект (при помещении пластины в электрическое поле возникает механическая деформация вдоль перпендикулярных осей). Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приемником, то источником ультразвуковых волн.
Магнитострикция – изменение линейных размеров тела при его намагничивании. Величина магнитострикции монокристалла различна в разных направлениях. При этом в результате деформации в кристаллической решетке магнитного материала возникают внутренние механические напряжения.
Тензоэффект (тензорезистивный эффект) – изменение активного электрического сопротивления проводников или полупроводников при их механической деформации.
2. Описание характера распознавания уз волны в тканях биологического объекта.
Ультразвуковая волна (как любая звуковая волна) распространяется в среде в виде чередующихся зон сжатия и расширения расстояний между молекулами вещества, которые совершают колебательные движения.
Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью (в среднем 1540 м/с). На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение.
Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином акустический «импеданс»:
где �� – плотность среды V – скорость звука в рассматриваемой среде.
Биологические ткани различаются по величине акустического сопротивления. Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая – отражается.
Коэффициент отражения зависит от:
1. Разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей;
3. Частоты ультразвуковых колебаний.
Чем меньше длина УЗ волны, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками .
Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом . Пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл, электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта .
Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов. Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия — механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями — контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р — вектор поляризации.
В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно используют термин электрострикция , относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция — четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция — эффект необратимый.
Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением t: P = dt
Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем), и он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью: r = dE
где r — деформация; Е — напряженность электрического поля. Пьезомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.
Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения качественной стороны пьезоэлектрических явлений. В действительности пьезоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено анизотропией их упругих и электрических свойств. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным , а при их взаимно перпендикулярном расположении — поперечным . За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения.
Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты
Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3 х 10 -7 мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.
Пьезоэлектрический эффект
Современное производство электронной компонентной базы тесно связано с термином «пьезоэлектричество». Прямой пьезоэлектрический эффект — явление возникновения электрической поляризации в кристалле под действием механического напряжения. Данное явление впервые наблюдали братья Кюри — Жак и Пьер в 1880 году. Тогда в качестве испытуемых выступили кристаллы хрусталя, турмалина и сегнетовой соли. Обратный пьезоэлектрический эффект — вознинкновение механических напряжений в кристалле под действием электрического поля был предсказан в 1881 году французским физиком Габриэлем Липпманом. Предсказание сложилось исходя из термодинамических соображений и позднее было экспериментально подтверждено братьями Кюри. Однако, практическое применение пьезоэффект обрел лишь 37 лет спустя, а началось все с работы создателя теории диамагнетизма и парамагнетизма Поля Ланжевена. Суть его предложения заключалась в использовании мощного ультразвука, получаемого от возбужденной электрическим полем кварцевой пластинки, для подводной беспроволочной связи и гидроакустики. Еще через 5 лет пьезоэлектрические пластины стали обязательными компонентами устройств фильтрации и стабилизации частот в аппаратуре связи.
Отечественные кварцевые резонаторы впервые были спроектированы в институте кристаллографии АН СССР. 1928 год запомнился важным для массового применения пьезоэлектричества этапом, связанным с Сергеем Яковлевичем Соколовым, открывшим возможность применения ультразвуковых волн для обнаружения внутренних дефектов в металлах, положив, таким образом, начало ультразвуковой дефектоскопии.
Возвращаясь к нашему времени, хочется отметить, что на основе пьезоэлектрических материалов таких как: лангасит, лангатат, катангасит, ниобат и танталат лития, а также кварца изготавливают элементы на прямом пьезоэлектрическом эффекте, применяющиеся в микрофонах, гидрофонах, датчиках давлений, датчиках механических перемещений и ускорения. Обратный пьезоэлектрический эффект используется в акустических и ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха и ультразвуковой гидроочистки, в излучателях гидролокаторов (сонарах), в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или как позиционер перемещения головки жёсткого диска. Высокочастотные пьезоэлектрические резонаторы, на объемных акустических волнах (ОАВ) являются базовыми комплектующими элементами для создания новых видов радиоэлектронных систем и аппаратуры.