Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрики: прямой и обратный пьезоэффект В чем заключается прямой пьезоэлектрический эффект

2. Обратный пьезоэлектрический эффект.

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки, укрепленные на кристалле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляризуется и деформируется.

Легко видеть, что необходимость существования обратного пьезоэффекта следует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта. Рассмотрим пьезоэлектрическую пластинку (рис. 5) и предположим, что мы сжимаем ее внешними силами F. Если бы пьезоэффекта не было, то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть силы обратного пьезоэффекта. Из приведенных рассуждений вытекает связь между знаками обоих эффектов. Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях одинаковы, то знаки деформаций различны. Если при сжатии пластинки на гранях появляются заряды, указанные на рис. 5, то при создании такой же поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться.

Рис.5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией. Однако оба эти явления различны. Пьезоэффект зависит от направления поля и при изменении направления последнего на противоположное изменяет знак. Электрострикция же не зависит от направления поля. Пьезоэффект наблюдается только в некоторых кристаллах, не обладающих центром симметрии. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как твердых, так и жидких.

Если пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла:

где b - тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напряжения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием электрического поля. Оно равно:

Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения (модуль Юнга) при постоянном электрическом поле. Формулы (51.2) и (52.2) являются основными соотношениями в теории пьезоэлектричества.

При написании формул мы выбирали u и Е в качестве независимых переменных и считали D и s их функциями. Это, конечно, необязательно, и мы могли бы считать независимыми переменными другую пару величин, одна из которых - механическая, а другая - электрическая. Тогда мы получили бы тоже два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В зависимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основных пьезоэлектрических соотношений.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные e, С и b зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (зависят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о порядке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, когда пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны:

e=4, 5; С=7, 8 1010 Н/м2; b=0, 18 Кл/м2.

Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5) Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше, растягивается вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты. Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно определению электрического смещения это значит, что D=0. Тогда из соотношения (4) следует, что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью:

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для механического напряжения в пластинке:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта, пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффективным модулем упругости

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

который больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавочного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной: К2=b2/e0eC (9)

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой электромеханической связи Пользуясь приведенными выше значениями e, С и b, находим, что для кварца К2~0.01 Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов К2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0, 1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое напряжение 1 1055 Н/м2. Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1, 3 10-6. Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59 В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0, 5 см напряжение между обкладками будет равно U=Еd~30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно получать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный) широко применяется для устройства различных электромеханических преобразователей. Для этого иногда используют составные пьезоэлементы, предназначенные для осуществления деформаций разного типа.

На рис.6 показан двойной пьезоэлемент (составленный из двух пластинок), работающий на сжатие. Пластинки вырезаны из кристалла таким образом, что они одновременно либо сжимаются, либо растягиваются. Если, наоборот, сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами, то между его обкладками появляется напряжение. Соединение пластинок в этом пьезоэлементе соответствует параллельному соединению конденсаторов.

Рис.6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.

А также для метрологических целей. 3. Основные критерии оценки бесконтактных вибропреобразователей Для сравнения бесконтактных методов измерения параметров вибрации и основанных на них виброизмерительных преобразователей целесообразно пользоваться, помимо перечисленных параметров, следующими критериями оценки: характер физических полей или излучений, взаимодействующих в процессе измерений; ...

Т.е. для защиты источника от утечки информации, требуется нарушение энергетических и временных условий существования канала утечки путем использования различных по физическим принципам средств защиты. Технические характеристики акустопреобразовательного канала Акустоэлектрический преобразователь-устройство, преобразующее электромагнитную энергию в энергию упругих волн в среде и обратно. В...

Сырьевой смеси и снижает устойчивость их кристаллических решеток и, следовательно, ускоряет процесс образования материала. Исследование влияния добавок никеля и меди на плотность пьезокерамических заготовок представлены на рис. 2. Результаты измерения плотности показывают, что у легированной керамики плотность выше при всех температурах обжига. Так у керамики с добавкой меди плотность уже при...

Дмитрий Левкин

Электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок - Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина . Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект , а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации . Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Характеризуется следующими свойствами:

где ε 0 = 8,85· 10 -12 , Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце . А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля . Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

где с – скорость звука в материале, м/с

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 - Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

Чтобы измерить эти частоты обычно используется , с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики ().

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной (f r ), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной (f a ).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

• где Δx s – изменение толщины пластины, м,
• U s – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения d ij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей . d 33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (). d 31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (). d 15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми ().

Пьезоэлектрическая константа давления g ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

• где U e – полученное напряжение, В,
• d - толщина, м,
• p x – приложенное давление, Па.

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g ij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

, (7)

• где µ – коэффициент Пуассона,
• Δa – абсолютное приращение толщины, м,
• a – толщина после деформации, м,
• Δl – абсолютное приращение длины, м,
• l – длина после деформации, м

, (8)

• где ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
• f(t 1) t 1 , Гц,
• f(t 2) – резонансная частота при температуре t 2 , Гц,
• f 20 – резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
• Δt – разница температур Δt = t 2 - t 1 , ˚С

, (9)

• где ТКЕ – температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
• C(t 1) – емкость при температуре t 1 , Ф,
• C(t 2) – емкость при температуре t 2 , Ф,
• C 20 - емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)

• где ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
• l(t 1) – длина при температуре t 1 , м,
• l(t 2) – длина при температуре t 2 , м,
• l 20 – длина при температуре 20˚С, м

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2 n (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле :

, (11)

• где ρ – плотность, кг/м 3 ,
• m – масса, кг,
• V – объем, м 3 .

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО 3 (напр., BaTiO 3 , РbТiO 3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO 3 - CaTiO 3 , BaTiO 3 - CaTiO 3 - CoCO 3 , NaNbO 3 - KNbO 3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO 3 - PbZrO 3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ 2 О 6 , напр. PbNb 2 O 6 , имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации .

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах , пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах , пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах , пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях , пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики .

Для получения ультразвука используют

Обратный пьезоэлектрический эффект;

Магнитострикцию;

Электрострикцию;

Пьезоэлектрический эффеект - эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Колебания пластинки передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют линейные размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень в переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, по которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (например, керамики) способны изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, получившее названиеэлектрострикции, внешне отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используют описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными.

Излучатели ультразвука .

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис.1)

Пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

Электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

Генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты .

I = ρ ω 2 ʋ А 2 / 2 (1)

Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования.

Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10 -14 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 .

Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой.

Приемники ультразвука . Электромеханические УЗ-приемники используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта.

В этом случае под действием УЗ волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

Свойства УЗ, обуславливающие его применение в диагностических и терапевтических целях (малая длина волны, направленность, преломление и отражение, поглощение, глубина полупоглощения)

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым и химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

а)Малая длина волны. Направленность . Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ=υ/ν , найдем: для звука с частотой 1 кГц длина волны λ зв =1500/1000=1,5 м; для ультразвука с частотой 1 МГц длина волны λ уз =1500/1 000 000=1.5 мм.

Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны с λ=1,5 м, но станет преградой для УЗ волны с λ=1,5 мм. При этом возникает УЗ тень, поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и преломления. То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.

б) Преломление и отражение. Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Законы, которым подчиняются эти явления полностью аналогичны законам отражения и преломления света. Поэтому во многих случаях распространение УЗ волн изображают с помощью лучей.

Для количественной характеристики процесса вводят понятие коэффициента отражения R=I отр /I о, где I отр - интенсивность отраженной ультразвуковой волны; I о - интенсивность падающей. Это безразмерная величина, меняющаяся в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).

Чем сильнее различаются волновые сопротивления (ρυ) сред, тем больше доля отраженной энергии и меньше доля энергии, переходящей через границу раздела.

Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха (R=1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.

Смазка должна удовлетворять соответствующим требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению кожи, обладать малым коэффициентом поглощения УЗ, иметь значительную вязкость, хорошо смачивать кожу, быть нетоксичной (вазелиновое масло, глицерин и др.).

в)Поглощение, глубина полупоглощения. Следующим важным свойством ультразвука является его поглощение в средах: энергия механических колебаний частиц среды превращается в энергию их теплового движения. Поглощаемая при этом средой энергия механической волны обуславливает нагревание среды. Этот эффект описывается формулой:

I = I о. е -кl (3)

где I - интенсивность ультразвуковой волны, прошедшей расстояние l в среде; I o - начальная интенсивность; к – коэффициент поглощения ультразвука в среде; е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71).

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения.

Глубина полупоглощения – это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.

Глубина полупоглощения для различных тканей имеет различное значение. Поэтому в медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей: малая – 1,5 Вт/м 2 , средняя – (1,5-3) Вт/м 2 и большая –(3-10)Вт/м 2 .

Поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани.

8. Взаимодействие УЗ с веществом: акустические течения и кавитация, выделение теплоты и химические реакции, отражение звука, звуковидение).

а) Акустические течения и кавитация. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом специфических эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, возникают акустические потоки (звуковой ветер), скорость которых достигает 10 м/с. На частотах диапазона УСЧ (0,1-10)МГц в ультразвуковом поле с интенсивностью в несколько Вт/см 2 может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Эта особенность распространения УЗ используется в ультразвуковых ингаляторах.

К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация -рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой УЗ и захлопываются в положительной фазе давления. При схлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысячи атмосфер , образуются сферические ударные волны. Такое интенсивное механическое воздействие на частицы, может приводить к разнообразным эффектам, в том числе и разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука. Механические эффекты особенно значительны при действии фокусированного ультразвука.

Еще одним следствием схлопывания кавитационных пузырьков является сильный разогрев их содержимого (до температуры порядка 10 000 0 С), сопровождающийся ионизацией и диссоциацией молекул.

Явление кавитации сопровождается эрозией рабочих поверхностей излучателей, повреждением клеток и т.п. Однако, это явление приводит и к ряду полезных эффектов. Так, например, в области кавитации происходит усиленное перемешивание вещества, что используется для приготовления эмульсий.

б) Выделение теплоты и химические реакции. Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границе раздела сред, когда коэффициент отражения близок к единице (100%). Это связано с тем, что в результате отражения интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. В этом можно убедиться экспериментально. Надо приложить к влажной руке излучатель УЗ. Вскоре на противоположной стороне ладони возникает ощущение (похожее на боль от ожога), вызванное УЗ, отраженным от границы «кожа-воздух».

Ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к нагреванию ультразвуком, чем однородные ткани (печень). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие может привести к перегреву.

В некоторых случаях используют сфокусированный ультразвук для локального воздействия на отдельные структуры организма. Такое воздействие позволяет добиться контролируемой гипертермии, т.е. нагрева до 41-44 0 С без перегрева соседних тканей.

Повышение температуры и перепады давления, которыми сопровождается прохождение ультразвука, могут приводить к образованию ионов и радикалов, способных вступать во взаимодействие с молекулами. При этом могут протекать такие химические реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. Химическое действие УЗ проявляется, в частности, расщепление молекулы воды на радикалы Н + и ОН - с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 .

в) Отражение звука. Звуковидение. На отражении УЗ волн от неоднородностей основано звуковидение, используемое в медицинских ультразвуковых исследованиях. В этом случае ультразвук, отраженный от неоднородностей, преобразуются в электрические колебания, а последние – в световые, что позволяет видеть на экране те или иные предметы в непрозрачной для света среде.

На частотах УЗВЧ-диапазона создан ультразвуковой микроскоп – прибор, аналогичный обыкновенному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит в том, что при биологических исследованиях не требуется предварительно окрашивания объекта. При увеличении частоты УЗ волны увеличивается разрешающая способность (можно обнаруживать более мелкие неоднородности), но уменьшается их проникающая способность, т.е. уменьшается глубина, на которой можно исследовать интересующие структуры. Поэтому частоту УЗ выбирают так, чтобы сочетать достаточное разрешение с необходимой глубиной исследования. Так, для УЗ исследования щитовидной железы, расположенной непосредственно под кожей, используют волны частоты 7,5 МГц, а для исследования органов брюшной полости используют частоту 3,5 - 5,5 МГц. Кроме того, учитывают и толщину жирового слоя: для худых детей используется частота 5,5 МГц, а для полных детей и взрослых – частота 3,5 МГц.

9.Биофизическое действие УЗ: механическое, тепловое, физико-химическое.

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений , сопутствующих распространению ультразвука в среде.

Механическое действие определяется переменным акустическим давлением и заключается в вибрационном микромассаже тканей на клеточном и субклеточном уровнях, повышении проницаемости клеточных, внутриклеточных и тканевых мембран вследствие деполимеризующего действия ультразвука на гиалуроновую кислоту и хондроитинсульфат, что влечет за собой повышение гидратации дермального слоя.

Тепловой эффект связан с трансформацией механической энергии в тепловую, при этом тепло в тканях организма образуется неравномерно. Особенно много тепла накапливается на границах сред вследствие разницы акустического сопротивления тканей, а также в тканях, поглощающих ультразвуковую энергию в большем количестве (нервная, костная ткани), и в местах, плохо снабжающихся кровью.

Физико-химическое действие обусловлено тем, что химическая энергия вызывает в тканях организма механический резонанс. Под влиянием последнего ускоряется движение молекул и усиливается их распад на ионы, изменяется изоэлектрическое состояние. Образуются новые электрические поля, возникают электрические изменения в клетках. Изменяются структура воды и состояние гидратных оболочек, появляются радикалы и различные продукты сонолиза биологических растворителей. В результате наступают стимуляция физико-химических и биохимических процессов в тканях, активация обмена веществ.

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880г. Пьезоэффект бывает прямой и обратный.

Прямой пьезоэффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.

Если изменить направление деформации, т.е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный. К пьезоэлектрикам относятся кварц, сегнетова соль, титанат бария и т.д.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля.

Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика.

Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний с частотой, равной частоте приложенного переменного напряжения. Так как пьезоэлемент обладает собственной частотой механических колебаний, то возможно явление резонанса, когда частота приложенного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки. При этом получается максимальная амплитуда колебаний пластинки пьезоэлемента.

Если на пьезоэлемент воздействовать механически с некоторой частотой, то возникает переменное напряжение той же частоты. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую, и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Таким образом, можно сказать, что пьезоэлемент является колебательной системой с электромеханическими колебаниями.

На основе пьезоэффекта работает кварцевый резонатор, содержащий кварцевый элемент, электроды и кварцедержатели, помещенные в герметичный металлический или стеклянный баллон.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора:

Кварцевые резонаторы успешно работают в полосе частот от 70 Гц до десятков МГц. На их основе работают кварцевые генераторы, обеспечивающие высокую точность и стабильность частоты.

Лекция 3

Ультразвук.

План лекции

1. Определение ультразвука

3. Приём и излучение ультразвука

Свойства ультразвука

Поглощение ультразвука

Действие ультразвука на вещество

Применение ультразвука в медицине.

Определение ультразвука

Ультразвук (сокращённо УЗ) - это механические колебания, частота которых

превышает 20 кГц. Орган слуха человека такие частоты не воспринимает. Однако ультразвук воспринимается некоторыми животными и птицами. В частности установлено, что кошки и собаки слышат ультразвуки до 40 кГц. Данный участок диапазона им необходимо воспринимать для того, чтобы обнаружить добычу и поймать её. Некоторые животные используют ультразвук для ориентировки в пространстве Примером могут служить летучие мыши и дельфины. Они издают короткие ультразвуковые импульсы и улавливают их отражение. Таким образом, они могут обнаружить препятствие в полной темноте на значительном расстоянии. Птицы также воспринимают ультразвуковые волны, поскольку многие насекомые излучают ультразвук и птицы могут их таким образом обнаружить. В предыдущей лекции мы познакомились со свойствами механических колебаний слышимого диапазона. С повышением частоты в таких колебаниях проявляются особенности, которые и используются на практике.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Известно, что звук слышимого диапазона можно воспроизвести обычным электродинамическим громкоговорителем, который превращает электрические колебания в механические. Уловить звук слышимого диапазона можно с помощью электродинамического микрофона, который превращает механические колебания в электрические. Однако эти приборы не годятся для УЗ колебаний, так как подвижная часть этих приборов обладает очень большой инерцией и не сможет колебаться с частотой УЗ. Значит для улавливания и излучения УЗ нужно использовать другое техническое решение. Такое решение существует. В его основе лежит такое физическое явление, как пьезоэлектрический эффект . Он основан на свойстве некоторых монокристаллов создавать на своих гранях электрические заряды при их деформации внешней силой (прямой пьезоэлектрический эффект); а также деформироваться при приложении к их граням электрического напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект).

Рассмотрим монокристалл кварца. Он представляет собой окись кремния

(Si O). Его кристаллическая решётка имеет следующий вид:

То направление, вдоль которого этот шестигранник вытянут (в данном случае это- вертикальная ось), называется главной осью кристалла. Видно, что в данной решётке в узлах стоят положительные и отрицательные ионы. Но здесь соблюдается баланс: количество положительных и отрицательных ионов одинаково, поэтому все положительные и отрицательные ионы взаимно друг друга компенсируют и кристалл в целом является нейтральным. Верхний (по схеме) положительный заряд компенсируется двумя отрицательными: положительный заряд – один, но он ближе, а отрицательных – два, но они дальше по отношению к внешней среде, так что баланс соблюдается. Аналогичная ситуация наблюдается и с противоположной стороны кристалла. Так что в кристалле полностью соблюдается баланс зарядов. Кроме того, как было сказано выше, каждый элемент кристаллической решётки диполем не является.

Если теперь этот элемент кристаллической решётки подвергнуть деформации растяжения вдоль его главной оси, то, как видно из чертежа, положительный ион вытянется в одну сторону, а отрицательный – в другую и баланс зарядов на концах элемента решётки нарушится и этот элемент превратится в диполь. Как видно из чертежа сверху появится плюс, а снизу – минус. Но весь кристалл состоит из множества элементарных ячеек, поэтому на гранях кристалла, перпендикулярных его главной оси, появится разность потенциалов.

Растяжение Сжатие

Аналогичная картина будет наблюдаться при деформации сжатия вдоль той же оси. Но здесь полярность напряжения на гранях будет противоположной. Это и есть прямой пьезоэлектрический эффект («пьезо» - давить) .