مبدل اولتراسونیک چیست؟

مبدل (پروب) وسیله ای است که انرژی فیزیکی را به داخل و خارج تبدیل می کند. یک کاوشگر اولتراسونیک انرژی الکتریکی را به انرژی صوتی و انرژی صوتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. تبدیل انرژی محقق می شود. بنابراین، کاوشگر اولتراسونیک مبدل اولتراسونیک نیز نامیده می شود که می تواند هم برای انتقال امواج اولتراسونیک و هم برای دریافت استفاده شود و یک جزء کلیدی در سیستم محدوده اولتراسونیک است. مبدل‌های اولتراسونیک عمدتاً شامل مبدل‌های اولتراسونیک مکانیکی، مبدل‌های اولتراسونیک الکتریکی و مبدل‌های اولتراسونیک الکتروآکوستیک هستند. در میان آنها، سنسورهای التراسونیک الکتروآکوستیک عمدتاً از کریستال های پیزوالکتریک (الکترواستریکتیو) و آلیاژ آلومینیوم نیکل-آهن (مغناطیسی گیر) تشکیل شده اند. با توجه به طرح‌های مختلف، شکل مبدل اولتراسونیک عمدتاً دارای شکل ستونی (قطر صفحه‌های پوشش فلزی جلو و عقب یکسان هستند)، نوع شیپوری (قطر صفحه پوشش جلویی به دلیل شکل قوس بیش از حد کاهش می‌یابد) و شکل ستونی با مقطعی در وسط است.

الف مبدل سرامیک پیزوالکتریک یک مبدل الکتروآکوستیک است که انرژی الکتریکی و صوتی را بر اساس اثرات پیزوالکتریک و معکوس پیزوالکتریک کریستال های خاص تبدیل می کند. سنسورهای اولتراسونیک پیزوالکتریک عمدتاً از ویفرهای پیزوالکتریک تشکیل شده اند. سنسور اولتراسونیک متشکل از کریستال های پیزوالکتریک یک حسگر برگشت پذیر است که انرژی الکتریکی را به انرژی صوتی تبدیل می کند و هنگامی که امواج مافوق صوت را دریافت می کند، می تواند انرژی صوتی را نیز به انرژی الکتریکی تبدیل کند. سنسورهای اولتراسونیک پیزوالکتریک با استفاده از رزونانس کریستال پیزوالکتریک کار می کنند. ساختار برخی از مواد تک کریستالی دارای ویژگی های نامتقارن است. هنگامی که این مواد تحت فشار و کرنش خارجی قرار می گیرند، تغییرات ساختار شبکه داخلی (تغییر شکل) حالت ماکروسکوپی اولیه خنثی الکتریکی را از بین می برد و در نتیجه یک میدان الکتریکی قطبی ایجاد می شود. (الکتروشیمیایی)، میدان الکتریکی تولید شده (قطبی شدن الکترود) متناسب با بزرگی کرنش است. این پدیده را اثر پیزوالکتریک مثبت می نامند که توسط برادران کوری در سال 1880 کشف شد. متعاقباً در سال 1881 کشف شد که چنین مواد تک کریستالی دارای اثر پیزوالکتریک معکوس نیز هستند، یعنی زمانی که ماده ای که دارای اثر پیزوالکتریک مثبت است تحت یک میدان الکتریکی اعمال شده قرار می گیرد، فشار و میدان الکتریکی خارجی ایجاد می شود. فقط متناسب آزمایشات نشان داده است که اثر پیزوالکتریک و اثر پیزوالکتریک معکوس در یک حد معین خطی هستند. یعنی در اثر پیزوالکتریک، چگالی بار سطحی کریستال پیزوالکتریک متناسب با بزرگی کرنش است. هنگامی که کرنش علامت را تغییر می دهد، شارژ نیز علامت را تغییر می دهد. در مورد اثر پیزوالکتریک معکوس، کریستال پیزوالکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی کرنش می‌شود. اندازه با شدت میدان الکتریکی متناسب است و وقتی میدان الکتریکی معکوس شود، کرنش نیز معکوس می شود. مبدل‌های پیزوالکتریک دستگاه‌هایی هستند که انرژی الکتریکی و انرژی صوتی را با استفاده از اثر پیزوالکتریک برخی از مواد تک کریستالی و اثرات الکتریکی مواد پلی‌کریستالی تبدیل می‌کنند. به دلیل راندمان الکتروآکوستیک بالا، ظرفیت توان زیاد و ساختار و شکل آن می تواند با توجه به کاربردهای مختلف طراحی شود، به طور گسترده ای در زمینه اولتراسوند استفاده می شود.

مبدل های پیزوالکتریک اولتراسونیک به دو پروب تک و پروب دوتایی تقسیم می شوند. حالت تک پروب به یک مبدل مجاورتی اولتراسونیک اشاره دارد که هم برای انتقال امواج اولتراسونیک و هم امواج مافوق صوت استفاده می شود، یعنی پروب هم برای انتقال و هم برای دریافت استفاده می شود. در حالت عملکرد تک پروب هنگام انتقال امواج اولتراسونیک لازم است ولتاژی بیش از ده ولت، چند ده ولت یا حتی صدها ولت به پروب اعمال شود تا باعث لرزش مکانیکی پروب شود. این ارتعاش مکانیکی ارتعاش ویفر پیزوالکتریک را به انرژی مکانیکی منتقل می کند. تبدیل به انرژی صوتی برای تحریک امواج اولتراسونیک. هنگامی که موج اولتراسونیک دریافت می شود، پس لرزه ایجاد شده توسط موج اولتراسونیک بلافاصله ناپدید نمی شود و دامنه سیگنال ارسالی بیشتر از دامنه سیگنال اکو است، به طوری که انتهای گیرنده به اشتباه موج ایجاد شده توسط ارتعاش را به صورت اکو ایجاد می کند. خطاهای اندازه گیری بر دقت سنسور اندازه گیری فاصله اولتراسونیک تأثیر می گذارد. روش مرسوم این است که انتقال را متوقف کنید، دوره زمانی را به تاخیر بیندازید، از زمان این پس لرزه اجتناب کنید و شروع به دریافت پژواک کنید که منجر به منطقه کور می شود. پروب دوگانه با ارسال دو موج اولتراسونیک و دریافت امواج اولتراسونیک با استفاده از همان پروب کار می کند. از سطح تجزیه و تحلیل منطقه کور تک پروب، حالت عملکرد پروب دوگانه می تواند منطقه کور را به طور کامل حذف کرده و فاصله اندازه گیری را افزایش دهد. با این حال، در کاربردهای عملی، به دلیل اینکه فاصله بین پروب فرستنده و پروب گیرنده کم است و موج صوتی پراش است، موج ساطع شده توسط کاوشگر فرستنده اولتراسونیک ممکن است توسط مانع منعکس نشود، اما مستقیماً پروب گیرنده را دور می زند و در نتیجه مثبت است، بنابراین، ناحیه کور همچنان وجود دارد.