Princip i klasifikacija materijala ultrazvučnog piezoelektričnog keramičkog pretvornika

Načelo piezoelektričnog učinka ultrazvučne piezoelektrične keramičke ploče je da ako se pritisne na piezoelektrični materijal, to će generirati potencijalnu razliku (koja se naziva pozitivnim piezoelektričnim efektom), a ako se primijeni napon, to će generirati mehaničko naprezanje (koje se naziva inverzni piezoelektrični efekt prsten od piezokeramičkih elemenata ). Ako je pritisak visokofrekventna vibracija, stvarat će se visokofrekventna struja. Kada se visokofrekventni električni signal primijeni na piezoelektričnu keramiku, generira se visokofrekventni akustični signal (mehanička vibracija), što je ono što obično nazivamo ultrazvučnim signalom. Drugim riječima, piezoelektrična keramika ima funkciju pretvorbe i inverzne pretvorbe između mehaničke energije i električne energije. Vrlo je zanimljiv taj međusobni odnos.

Dijeli se na piezoelektrične keramičke kristale i ultrazvučni piezokeramički elementi . Piezoelektrični kristali obično se odnose na piezoelektrične monokristale, a piezoelektrična keramika obično se odnosi na piezoelektrične polikristale. Piezoelektrična keramika je vrsta polikristala koji nastaju miješanjem, oblikovanjem i sinteriranjem visokotemperaturnih sirovina s potrebnim komponentama, kao i nepravilnih finih čestica dobivenih reakcijom čvrste faze i sinteriranjem između čestica. Piezo keramičke ploče s piezoelektričnim svojstvima nazivaju se piezoelektrična keramika, a zapravo su feroelektrična piezokeramika. Zrna ove piezokeramike imaju feroelektrične domene. Feroelektrične domene sastoje se od 180 domena s antiparalelnim smjerovima spontane polarizacije i 90 domena s okomitim smjerovima spontane polarizacije. U uvjetima umjetne polarizacije (primjena pojačanog istosmjernog električnog polja), te su domene savršeno poravnate u smjeru vanjskog električnog polja, a preostala polarizacijska jakost održava se nakon uklanjanja vanjskog električnog polja, tako da imaju makroskopske piezoelektrične karakteristike. Na primjer, barijev titanat Bt, olovo cirkonat titanat PZT, modificirani olovo cirkonat titanat, olovo metaniobat, litij olovo niobat barij pbln, modificirani olovo titanat pt i slično. Uspješan razvoj ovog PZT materijala promovirao je poboljšanje i poboljšanje performansi raznih piezoelektričnih uređaja akustičnih ultrazvučnih pretvarača i piezoelektričnih senzora.

Piezoelektrični učinak ultrazvučne piezoelektrične keramičke ploče znači da struktura nekih pojedinačnih piezo kristalnih materijala ima asimetrične karakteristike. Kada su ti PZT materijali podvrgnuti primijenjenom naprezanju i deformaciji, promjene (deformacije) u unutarnjoj strukturi rešetke uništit će izvornost električne neutralnosti. Makroskopsko stanje stvara polarizirano električno polje (polarizacija), a generirano električno polje (intenzitet polarizacije) proporcionalno je veličini deformacije. Taj se fenomen naziva pozitivnim piezoelektričnim efektom, koji su otkrila braća Curie 1880. godine. Kasnije, 1881. godine, otkriveno je da ovaj monokristalni materijal ima i obrnuti piezoelektrični učinak. Kada se materijal s pozitivnim piezoelektričnim učinkom podvrgne vanjskom električnom polju, nastat će naprezanje i deformacija, a deformacija je proporcionalna veličini vanjskog električnog polja. Piezoelektrični učinak je značajka kristalne strukture, koja je povezana s asimetrijom kristalne strukture, a veličina i priroda piezoelektričnog učinka povezana je sa smjerom primijenjenog naprezanja ili električnog polja u odnosu na kristalnu os. Postoji niz pojedinačnih PZT piezo keramički kristalni materijali velike snage s piezoelektričnim učinkom, kao što su prirodni kristali kvarca (SiO 2) i umjetni monokristalni materijali, kao što su litijev sulfat (Li2SO4), litijev niobat (LiNbO3) i slično.