Применение пьезокомпозитных материалов в ультразвуковых преобразователях и датчиках

Использование пьезокомпозитных материалов в ультразвуковых преобразователях привело к значительному прогрессу в различных областях. Эта статья исследует основы ультразвуковых преобразователей, их принципы работы и разнообразное применение пьезокомпозитных материалов в неразрушающем контроле (НК), медицинской ультразвуковой диагностике, подводной акустике, воздушном ультразвуке, измерении расхода и мониторинге структурной целостности.

1. Принцип работы ультразвуковых преобразователей

Ультразвуковой преобразователь — это устройство, преобразующее электрическую энергию в ультразвуковые волны и наоборот. Эти волны представляют собой механические колебания с частотой выше диапазона человеческого слуха, обычно более 20 кГц. Ультразвуковые преобразователи широко используются в промышленных, медицинских и научных приложениях, таких как неразрушающий контроль, медицинская визуализация и подводная связь.

2. Как работают ультразвуковые преобразователи

Ультразвуковые преобразователи работают на основе пьезоэлектрического эффекта. Когда электрическое поле прикладывается к пьезоэлектрическому материалу, он подвергается механической деформации, создавая ультразвуковую волну. И наоборот, когда ультразвуковая волна воздействует на пьезоэлектрический материал, он генерирует электрический сигнал. Это свойство позволяет ультразвуковым преобразователям преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые волны и обратно.

3. Применение в ультразвуковых преобразователях для неразрушающего контроля

В неразрушающем контроле пьезокомпозитные материалы обеспечивают более высокую чувствительность и лучшее соотношение сигнал/шум по сравнению с традиционными материалами PZT. Эта улучшенная производительность позволяет более точно обнаруживать дефекты и изъяны в материалах, делая пьезокомпозитные преобразователи бесценным инструментом в контроле качества и оценке структурной целостности.

4. Применение в медицинских ультразвуковых преобразователях

В фотоакустической визуализации преобразователи из пьезокомпозитных материалов демонстрируют значительно улучшенное соотношение сигнал/шум и полосу пропускания. В медицинской ультразвуковой диагностике фокусирующие преобразователи оболочечного типа, изготовленные из пьезокомпозитов, демонстрируют сниженный импеданс и увеличенную интенсивность фокусировки, что приводит к более четким и точным диагностическим изображениям.

5. Применение в подводных акустических преобразователях

Подводные акустические преобразователи из пьезокомпозитных материалов предлагают несколько преимуществ, включая более высокую чувствительность и увеличенные гидростатические пьезоэлектрические константы. Эти особенности делают пьезокомпозитные преобразователи высокоэффективными для подводной связи и сенсорных применений, таких как гидролокационные системы и океанографические исследования.

6. Применение в воздушных ультразвуковых преобразователях

Пьезокомпозитные материалы обеспечивают лучшее акустическое согласование импеданса, улучшая проникновение звуковых волн в воздушных ультразвуковых преобразователях. Использование пьезокомпозитов и двухслойной структуры согласования позволяет достичь постепенного перехода акустического импеданса между пьезоматериалом и воздухом, повышая коэффициент передачи акустической энергии и чувствительность воздушных ультразвуковых преобразователей.

7. Применение в измерении расхода

Пьезокомпозиты демонстрируют высокие пьезоэлектрические voltage константы и оказывают минимальное влияние на производительность структуры при комбинации с базовым материалом. Эти материалы быстро реагируют на изменения механического напряжения или деформации, что делает их идеальными для использования в качестве чувствительных элементов в applications измерения расхода.

8. Применение в мониторинге структурной целостности

В XXI веке датчики стали ключевым компонентом систем мониторинга структурной целостности. Часто используемые датчики включают fiber Bragg grating датчики и датчики из сплавов с памятью формы. Однако эти датчики имеют limitations, такие как высокая стоимость сбора информации, susceptibility к environmental влияниям и complex, низкоточные сигналы. Датчики из пьезокомпозитных материалов в определенной степени преодолели некоторые из этих challenges, предлагая более reliable и cost-effective альтернативу для мониторинга структурной целостности.

9. Заключение

По сравнению с пьезокерамикой (PZT), пьезокомпозитные материалы обладают superior гибкостью, более высокой mechanical прочностью, легко согласуемым акустическим импедансом и более широким frequency диапазоном. По сравнению с пьезополимерами (PVDF, ПВДФ), пьезокомпозиты отличаются более простыми manufacturing процессами и более высокой пьезоэлектрической активностью.

Интеграция пьезокомпозитных материалов в ультразвуковые преобразователи значительно улучшила их производительность и возможности в широком спектре применений, включая неразрушающий контроль, медицинскую ультразвуковую диагностику, подводную акустику, воздушный ультразвук, измерение расхода и мониторинг структурной целостности. Эти достижения открывают путь для дальнейших инноваций и разработок в этих отраслях.