Przetworniki Ultradźwiękowe Waldemar Lis Katedra Systemów Elektroniki Morskiej Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej

Anteny hydroakustyczne - jednowiązkowe, wielowiązkowe Przetworniki anteny (apertura) - nieruchome, ruchome - jednoelementowe, wieloelementowe Apertury - liniowe (prętowe, „węże” holowane) - płaskie (prostokątne, kołowe, paraboliczne) - cylindryczne (rurkowe, płaskie na powierzchni cylindrycznej)

Konstrukcja systemów akustycznych System - zespół współpracujących urządzeń: urządzenie nadawcze – nadajnik z anteną promieniującą generator/modulator wzmacniacz mocy układy dopasowujące/formujące wiązkę przetworniki ultradźwiękowe anteny urządzenie odbiorcze – odbiornik z anteną odbiorczą układy dopasowania/formowania wiązek układy wzmacniające z kompresją dynamiki / normowaniem zobrazowanie (monitor, dysplej, indykator/rejestrator)

Pierwsze urządzenia wykorzystujące fale ultradźwiękowe: Zjawisko magnetostrykcji 1832 Marion i Page oraz 1842 Villari i Jolue Zjawisko piezoelektryczne 1880 bracia Piotr i Jacques (Jacek) Curie Pierwsze urządzenia wykorzystujące fale ultradźwiękowe: komunikacyjne pomiędzy okrętami oraz do określania położenia okrętów np. podwodnych, nawigacji, wykrywania i lokalizacji gór lodowych. Urządzenie do wykrywania okrętów podwodnych ASDIC: nazwa od grupy badawczej Anti-Submarine Detection Investigation Committee http://uboat.net/allies/technical/asdic.htm, http://www.liverpoolmuseums.org.uk/maritime/exhibitions/boa/asdic.asp http://www.piezo.com/history.html http://www.wordiq.com/definition/Piezoelectricity Pierwsze przetworniki budowano z kwarcu , turmalinu, topazzu lub najczęściej soli Rochelle’a Seignette’a. http://www.bartleby.com/65/ro/Rochelslt.html

W czasie II wojny światowej a w szczególności po niej nastąpił dalszy wzrost techniki ultradźwiękowej. Stwierdzono szerokie możliwości zastosowania ultradźwięków w medycynie (szeroko rozumianej) i technice diagnostycznej co pociągnęło konieczność konstruowania przetworników na coraz wyższe częstotliwości i charakteryzujących się coraz bardziej skomplikowanymi funkcjami jak i lepszymi parametrami. Pojawiły się materiały piezoelektryczne ceramiczne które miały szereg zalet, można z nich było budować przetworniki o różnych kształtach i małych wymiarach a tym samym bardzo przydatne tam gdzie wymagana jest wysoka rozdzielczość np. defektoskopia (pomiary grubości), w medycynie – ultrasonografii itp. Zastosowanie: rybołówstwo, poszukiwania (zwiad) szacowanie militarne: (nawigacja, wykrywanie aktywne, wykrywanie pasywne) przemysłowe: (klejenie, kawitacja – mieszanie, płuczki i układy czyszczące, diagnostyka techniczna – defektoskopia, nasłuch; przemysł motoryzacyjny, przemysł foniczny itp., morskie – badania dna i otoczenia w morzu np. przepływy itp. medyczne (diagnostyka aktywna: fizykoterapia masaże, litotrypsja, chirurgia, stomatologia; diagnostyka pasywna - osłuchiwanie)

Zalety i wady przetworników. Rodzaje przetworników elektrostrykcyjne, magnetostrykcyjne, ferromagnetyczne, kompozyty, PVDF (folia) Zalety i wady przetworników. Piezoelektryczne. Łatwe w tworzeniu dowolnych kształtów, wysoka czułość i sprawność. Wady: wysoka oporność wyjściowa, nieodporne na wilgoć, kruchy materiał (własności typowe dla ceramiki), konieczność zabudowy i hermetyzacji. Piezomagnetyczne. Niska oporność wyjściowa, łatwiejsze w zabudowie, odporne na udary (z umiarem gdyż może ulec depolaryzacji), możliwość generacji dużych mocy. W przypadku przetworników piezoelektrycznych też można generować duże moce – buduje się wówczas specjalne konstrukcje tzw. sandwich’e. Wady: trudności z tworzeniem dowolnych kształtów i małych wymiarów – materiały magnetostrykcyjne są trudne w obróbce- dokonuje się tego w hutach. Wycinane są odpowiednie cienkie blaszki z których składa się przetwornik. Blaszki muszą być odseparowane galwanicznie. http://www.ndt.net/article/yosi/yosi.htm http://ej.iop.org/links/q20/khM0CnytOeLO7lmtZjfhAQ/jev17i10p856.pdf http://www.amp.com/products/technology/articles/interface.stm http://www.media.mit.edu/resenv/classes/MAS836/Readings/MSI-techman.pdf

Polaryzacja przetworników Materiały z trwałą i nietrwałą polaryzacją. Przetworniki niespolaryzowane – mają nieuporządkowane domeny. Przetworniki te charakteryzują się kwadratową charakterystyką nadawczą i nie pracują jako odbiorcze. Krzywa zależności S(E) - histereza. Spolaryzowane - dla małych sygnałów pracują na liniowym odcinku krzywej S(E), Zagrożenia: możliwość depolaryzacji pod wpływem wstrząsów oraz termicznym. Punkt Curie.

Zjawisko elektrostrykcji i magnetostrykcji Własności elektromechaniczne materiału elektrostrykcyjnego (magnetostrykcyjnego) wyrażone są poprzez współczynniki równań elektromechanicznych. Dla przykładu przeanalizowany został przetwornik z materiału piezoelektrycznego w postaci prostopadłościanu.   Przetwornik piezoelektryczny poddany naprężeniu T i natężeniu E Zakłada się, że w przetworniku wszystkie wielkości mechaniczne i elektryczne ukierunkowane są wzdłuż jednej osi np. X3. Można go wówczas opisać dwoma ogólnymi równaniami elektrostrykcyjnymi: (1.1) X1 X3 X2 E T U pole elektryczne naprężenie elektrody

S=S(T,D) E=E(T,D) S=gD+sDT E=bTD+gT a po przybliżeniu do pierwszego wyrazu szeregu potęgowego - dla małych sygnałów - równaniami: S=gD+sDT E=bTD+gT gdzie: T - naprężenie, E - natężenie pola elektrycznego, D - indukcja elektryczna, S - przesunięcie względne, (D=const) i (T=const) , (D= const), (T=const).

dla polaryzacji podłużnej Analogiczne definicje można podać dla materiałów magnetostrykcyjnych Najczęściej stosowane współczynniki, wyrażające współzależności elektryczne i mechaniczne z uwzględnieniem ich ukierunkowania, to: dla polaryzacji podłużnej dla polaryzacji poprzecznej D3=const, E3=const

(z uwzględnieniem zjawiska elektrostrykcyjnego) Równanie falowe (z uwzględnieniem zjawiska elektrostrykcyjnego) Ogólnie, równanie falowe opisujące stan dynamiczny bryły wyprowadza się z warunku równowagi sił sprężystości i bezwładności. W najprostszym przypadku jednokierunkowej propagacji (fali płaskiej) można pokazać, że równowaga ta może być opisana następującym równaniem różniczkowym.  dx T(x) T(x+dx) A czyli

Przez dobór odpowiedniej pary równań elektrostrykcyjnych np Przez dobór odpowiedniej pary równań elektrostrykcyjnych np. dla polaryzacji podłużnej T= cDS- hD E=-hS+bSD T= cES -eE D=-eS+eSE albo poprzecznej można wyeliminować wpływ czynnika elektrycznego na postać równania falowego - pochodna D (E) po x zeruje się. W rezultacie uzyskuje się równanie falowe w postaci jak dla zwykłej bryły

Przetwornik spolaryzowany podłużnie (D nie zależy od X) ośrodek propagacji przetwornik ośrodek propagacji d kierunek propagacji A - apertura elektrody Przetwornik spolaryzowany podłużnie (D nie zależy od X)

Przetwornik spolaryzowany poprzecznie (E nie zależy od X) elektrody przetwornik ośrodek propagacji ośrodek propagacji w u d kierunek propagacji Przetwornik spolaryzowany poprzecznie (E nie zależy od X)

x(jw,x)=A1e-jkx+A2e+jkx Rozwiązanie równania falowego dla przebiegu harmonicznego ma postać sumy dwóch fal propagowanej w kierunku x oraz w kierunku –x. x(jw,x)=A1e-jkx+A2e+jkx Po uwzględnieniu faktu, że wychylenie względne S jest pochodną po odległości x , i wstawieniu jej do obu równań elektrostrykcyjnych uzyskuje się następującą parę równań

W celu obliczenia napięcia U na przetworniku należy scałkować E po x wektor przesunięcia D zamieniamy na prąd I wg relacji:

Dla polaryzacji poprzecznej – po dokonaniu analogicznych przekształceń wzory te maja postać jak poniżej:

Z1=Z1tgh(jkd/2); Z2=Z1tgh(jkd/2); Z12=Z1sinh(jkd), F=hjw/Ce

Z1=Z1tgh(jkd/2); Z2=Z1tgh(jkd/2); Z12=Z1sinh(jkd), F=we

Dla uproszczonego modelu obciążenia symetrycznego zachodzi:

Przypadek przetwornika nieobciążonego: b=1, ponieważ: (Z0=Z2=0) b=(Z1-Z0)/(Z1+Z0)

Przypadek przetwornika dopasowanego akustycznie: b=0, ponieważ: (Z0=Z2=Z1) b=(Z1-Z0)/(Z1+Z0)

X t U(t)

CM Ywej RM LM GE CE

Zwej Cm Lm Ce Re Rm

C R L ogólnie Z=R+jX

R+jX Real(Z) Imag(Z) R w

Y=1/Z czyli

Real(Y) Imag(Y) 1/R w

C L G ogólnie Y=G+jB

Imag(Y) G+jB w G Real(Y)

Z=1/Y czyli

Real(Z) Imag(Z) 1/G w

oraz zatem

Szukamy w dla której zachodzi : Imag(ZM)=Real(ZM) zatem czyli

I RM0 U RE RL Pa=I2RL, gdzie:

RM0+RL=RM zatem RL=RM-RM0  czyli

Sprawność elektromechaniczna wyraża stopień przemiany energii całkowitej w energię drgań mechanicznych bryły, zatem oblicza się ją z prostego obwodu GE GM jak poniżej     U GE GM PC=U2(GE+GM) oraz PM= U2GM czyli

czyli h= (RM-RM0)/RM i ostatecznie Natomiast, sprawność mechanoakustyczna wyraża stopień przemiany drgań mechanicznych na energię wypromieniowanej fali akustycznej. Słuszny jest zatem, następujący schemat zastępczy: I RM0 RL Pa= I2RL czyli Pa=I2(RM – RM0) natomiast PM=I2RM czyli h= (RM-RM0)/RM i ostatecznie