Co to jest przetwornik ultradźwiękowy

Przetwornik (sonda) to urządzenie, które przekształca energię fizyczną na zewnątrz i na zewnątrz. Sonda ultradźwiękowa przekształca energię elektryczną w energię akustyczną i przekształca energię akustyczną w energię elektryczną. Następuje konwersja energii. Dlatego sonda ultradźwiękowa nazywana jest również przetwornikiem ultradźwiękowym, który może być używany zarówno do przesyłania, jak i odbierania fal ultradźwiękowych i jest kluczowym elementem ultradźwiękowego systemu pomiaru odległości. Przetworniki ultradźwiękowe obejmują głównie mechaniczne przetworniki ultradźwiękowe, elektryczne przetworniki ultradźwiękowe i elektroakustyczne przetworniki ultradźwiękowe. Wśród nich elektroakustyczne czujniki ultradźwiękowe składają się głównie z kryształów piezoelektrycznych (elektrostrykcyjnych) i stopu aluminium niklowo-żelazowego (magnetostrykcyjne). Według różnych konstrukcji przetwornik ultradźwiękowy ma kształt głównie kolumnowy (przednia i tylna metalowa osłona mają tę samą średnicę), tubowy (średnica przedniej osłony jest nadmiernie zmniejszona przez kształt łuku) oraz kolumnowy z przekrojem środkowym.

A piezoelektryczny przetwornik ceramiczny to przetwornik elektroakustyczny, który przekształca energię elektryczną i akustyczną w oparciu o piezoelektryczne i odwrotne efekty piezoelektryczne niektórych kryształów. Piezoelektryczne czujniki ultradźwiękowe składają się głównie z płytek piezoelektrycznych. Czujnik ultradźwiękowy złożony z kryształów piezoelektrycznych jest czujnikiem odwracalnym, który przekształca energię elektryczną w energię akustyczną, a po otrzymaniu fal ultradźwiękowych może również przekształcić energię akustyczną w energię elektryczną. Piezoelektryczne czujniki ultradźwiękowe działają wykorzystując rezonans kryształu piezoelektrycznego. Struktura niektórych materiałów monokrystalicznych ma cechy asymetryczne. Kiedy materiały te zostaną poddane zewnętrznym naprężeniom i odkształceniom, zmiany w wewnętrznej strukturze sieci (odkształcenie) zniszczą pierwotny makroskopowy stan neutralności elektrycznej, powodując powstanie spolaryzowanego pola elektrycznego. (elektrochemiczne), generowane pole elektryczne (polaryzacja elektrody) jest proporcjonalne do wielkości odkształcenia. Zjawisko to nazywa się dodatnim efektem piezoelektrycznym i zostało odkryte przez braci Curie w 1880 r. Następnie, w 1881 r., odkryto, że takie materiały monokrystaliczne mają również odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy, gdy materiał o dodatnim efekcie piezoelektrycznym zostanie poddany działaniu przyłożonego pola elektrycznego, powstają naprężenia i odkształcenia, a także powstają odkształcenia i zewnętrzne pole elektryczne. Po prostu proporcjonalnie. Doświadczenia wykazały, że efekt piezoelektryczny i odwrotny efekt piezoelektryczny w pewnym zakresie są liniowe. Oznacza to, że w efekcie piezoelektrycznym gęstość ładunku powierzchniowego kryształu piezoelektrycznego jest proporcjonalna do wielkości odkształcenia. Kiedy odkształcenie zmienia znak, ładunek również zmienia znak. W przypadku odwrotnego efektu piezoelektrycznego kryształ piezoelektryczny odkształca się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Rozmiar jest proporcjonalny do natężenia pola elektrycznego, a gdy pole elektryczne zostanie odwrócone, odkształcenie również się odwróci. Przetworniki piezoelektryczne to urządzenia przekształcające energię elektryczną i akustyczną za pomocą efektu piezoelektrycznego niektórych materiałów monokrystalicznych i efektu elektrostrykcyjnego materiałów polikrystalicznych. Ze względu na wysoką sprawność elektroakustyczną, dużą moc oraz konstrukcję i kształt, który można zaprojektować zgodnie z różnymi zastosowaniami, jest on szeroko stosowany w dziedzinie ultradźwięków.

Ultradźwiękowe przetworniki piezoelektryczne dzielą się na pojedynczą sondę i podwójną sondę. Tryb pojedynczej sondy odnosi się do ultradźwiękowego przetwornika zbliżeniowego, który służy do przesyłania zarówno fal ultradźwiękowych, jak i fal ultradźwiękowych, to znaczy sonda służy zarówno do transmisji, jak i odbioru. W trybie pracy z pojedynczą sondą, podczas przesyłania fal ultradźwiękowych, konieczne jest przyłożenie do sondy napięcia o wartości powyżej dziesięciu woltów, kilkudziesięciu woltów, a nawet setek woltów, aby spowodować mechaniczne drgania sondy. Te wibracje mechaniczne przekształcają wibracje płytki piezoelektrycznej w energię mechaniczną. Przekształcana w energię akustyczną w celu wzbudzenia fal ultradźwiękowych. Po odebraniu fali ultradźwiękowej wstrząs wtórny generowany przez falę ultradźwiękową nie znika natychmiast, a amplituda przesyłanego sygnału jest bardziej oczywista niż amplituda sygnału echa, tak że koniec odbiorczy błędnie generuje falę generowaną przez wibracje jako echo. Błędy pomiaru wpływają na dokładność ultradźwiękowego czujnika pomiaru odległości. Konwencjonalną praktyką jest zatrzymanie transmisji, opóźnienie czasu, uniknięcie momentu wystąpienia wstrząsu wtórnego i rozpoczęcie odbierania echa, co prowadzi do martwej strefy. Sonda podwójna działa poprzez wysyłanie dwóch fal ultradźwiękowych i odbieranie fal ultradźwiękowych za pomocą tej samej sondy. Z poziomu analizy martwej strefy z pojedynczą sondą, tryb pracy z podwójną sondą może całkowicie wyeliminować martwą strefę i zwiększyć odległość pomiarową. Jednakże w praktycznych zastosowaniach, ponieważ odległość między sondą nadawczą a sondą odbiorczą jest mała, a fala dźwiękowa jest dyfrakcyjna, fala emitowana przez ultradźwiękową sondę nadawczą może nie zostać odbita przez przeszkodę, ale bezpośrednio omija sondę odbiorczą, co skutkuje dodatnimi wynikami, dlatego martwa strefa nadal istnieje.