Ультразвуковые сканеры

; .

Пьезоэлектрические материалы характеризуются также диэлектрической проницаемостью , модулем упругости, волновым импедансом Z и некоторыми другими параметрами, важными для проектирования ПЭП. Бол

ьшинство из этих параметров для разных направлений (осей) в пьезокристалле имеет разное значение. Обычно пластину вырезают с такой ориентацией, чтобы получить максимально возможные величины и .

Для ПЭП ультразвуковых аппаратов наиболее часто используют синтетические пьезоэлектрики на основе цирконата-титаната свинца ЦТС -19 и ЦТС-23, а также PZT (США). Материал ЦТС представляет собой твердый раствор цирконата свинца PbZrO3 и титаната свинца PbTiO3. Для придания этой керамике свойств пьезоэлектрика ее помещают в сильное электрическое поле, которое ориентирует отдельные микроскопические области (кристаллиты) в направлении поля. После его снятия поляризация сохраняется. Одним из первых пьезоэлетриков, применявшихся в УЗ технике, был кварц, который обладает очень высокой добротностью, но по большинству других параметров существенно уступает синтетическим пьезоэлектрикам. В табл. 2 приведены важнейшие параметры пьезоэлектриков ЦТС-19 и PZT-4 в сравнении с кварцем.

Таблица Параметры пьезоэлектриков

Для анализа переходных процессов в ПЭП применяют различные методы : метод дифференциальных уравнений, четырехполюсника , электрических моделей. Эти методы достаточно подробно изложены в [1] и [2]. В методе четырехполюсника связывают входное воздействие и выходную реакцию ПЭП. Ими могут быть различные физические величины. Например, в режиме излучателя входными величинами будут напряжение Е и ток I, а выходными – сила F и колебательная скорость v ( рис.2).

Нагрузкой ПЭП является акустическое сопротивление Z, которое при глубине локации 50 – 100 мм равно среднему волновому акустическому импедансу «озвучиваемой» среды. Входные и выходные величины связаны между собой матричным уравнением

= ( 3)

Коэффициенты являются сложными функциями физических параметров ПЭП. Для малых сигналов ПЭП представляет собой линейный обратимый четырехполюсник. В режиме приемника I и v изменяют свои направления, а матричное уравнение будет иметь вид

=

Коэффициенты и связаны соотношениями:

Пьезопреобразователь можно характеризовать коэффициентами передачи. Например, для режима излучателя это будет отношение

.

Обозначив площадь ПЭП через , запишем /, а согласно определению /. С учетом этих соотношений из уравнения (3) находим

.

Коэффициенты и являются функциями частоты.

Для наглядных представлений часто используют эквивалентную электрическую схему ПЭП. Один из возможных вариантов такой схемы приведен на рис.3.

Здесь r и L - активное сопротивление и индуктивность внешней цепи (индуктивность может быть и специально включаемой), С- емкость между обкладками ПЭП; L, С, r - параметры электрической модели ПЭП, отражающие его механические свойства. Вследствие большой диэлектрической проницаемости пьезоэлектриков ЦТС емкость С ПЭП даже при его небольших размерах может быть сравнительно большой - сотни пФ.

Как видим, электрическая модель ПЭП представляет собой систему связанных контуров, поэтому в ней возможен резонанс на двух частотах. Последовательный контур L, C, r имеет высокую добротность, которая отражает высокую собственную механическую добротность пьезокристалла. Однако, как увидим далее, она не должна быть слишком высокой при импульсной локации объектов и ее уменьшают электрическим (включением внешних элементов) и механическим путем (демпфированием).

 Скачать реферат