Kuliah 3

USG.

Garis besar kuliah

1. Definisi USG

3. Penerimaan dan emisi USG

Sifat USG

Penyerapan USG

Pengaruh USG pada materi

Penerapan USG dalam pengobatan.

Definisi USG

Ultrasonografi (disingkat USG) adalah getaran mekanis yang frekuensinya

melebihi 20 kHz. Organ pendengaran manusia tidak merasakan frekuensi tersebut. Namun, USG dirasakan oleh beberapa hewan dan burung. Secara khusus, telah diketahui bahwa kucing dan anjing mendengar USG hingga 40 kHz. Area ini jangkauan yang perlu mereka rasakan untuk mendeteksi mangsa dan menangkapnya. Beberapa hewan menggunakan ultrasound untuk bernavigasi di luar angkasa. Contohnya termasuk kelelawar dan lumba-lumba. Mereka memancarkan pulsa ultrasonik pendek dan mendeteksi pantulannya. Dengan demikian, mereka dapat mendeteksi rintangan dalam kegelapan total pada jarak yang cukup jauh. Burung juga merasakan gelombang ultrasonik, karena banyak serangga memancarkan gelombang ultrasonik dan burung dapat mendeteksinya dengan cara ini. Pada perkuliahan sebelumnya kita telah mengenal sifat-sifat getaran mekanis dalam jangkauan bunyi. Dengan meningkatnya frekuensi, osilasi tersebut menunjukkan fitur-fitur yang digunakan dalam praktik.

Efek piezoelektrik langsung dan terbalik

Diketahui bahwa suara dalam rentang yang dapat didengar dapat direproduksi oleh loudspeaker elektrodinamik biasa, yang mengubah getaran listrik menjadi getaran mekanis. Anda dapat menangkap suara dalam rentang suara menggunakan mikrofon elektrodinamik, yang mengubah getaran mekanis menjadi getaran listrik. Namun perangkat ini tidak cocok untuk getaran ultrasonik, karena bagian yang bergerak dari perangkat ini memiliki inersia yang sangat tinggi dan tidak akan mampu bergetar pada frekuensi ultrasonik. Artinya untuk menangkap dan memancarkan USG, Anda perlu menggunakan sesuatu yang lain solusi teknis. Solusi seperti itu ada. Hal ini didasarkan pada fenomena fisik seperti efek piezoelektrik. Hal ini didasarkan pada sifat beberapa kristal tunggal untuk menghasilkan muatan listrik pada permukaannya ketika dideformasi oleh gaya eksternal (efek piezoelektrik langsung); dan juga berubah bentuk ketika tegangan listrik diterapkan ke permukaannya (efek piezoelektrik terbalik).

Mari kita pertimbangkan kristal tunggal kuarsa. Itu adalah silikon oksida

(SiO). Kisi kristalnya memiliki bentuk sebagai berikut:

Arah perpanjangan segi enam ini (in pada kasus ini ini adalah sumbu vertikal), disebut sumbu utama kristal. Terlihat bahwa pada kisi ini terdapat ion positif dan negatif pada titik simpulnya. Namun di sini keseimbangan dipertahankan: jumlah ion positif dan negatif adalah sama, oleh karena itu semua ion positif dan negatif saling meniadakan dan kristal secara keseluruhan bersifat netral. Muatan positif atas (sesuai skema) dikompensasi oleh dua muatan negatif: ada satu muatan positif, tetapi lebih dekat, dan ada dua muatan negatif, tetapi jaraknya lebih jauh terhadap lingkungan luar, sehingga keseimbangan tetap terjaga. Situasi serupa diamati di sisi berlawanan dari kristal. Jadi keseimbangan muatan tetap terjaga sepenuhnya di dalam kristal. Selain itu, sebagaimana disebutkan di atas, setiap elemen kisi kristal bukanlah dipol.

Jika sekarang elemen kisi kristal ini mengalami deformasi tarik sepanjang sumbu utamanya, maka, seperti terlihat dari gambar, ion positif akan tertarik ke satu arah, dan ion negatif ke arah lain, dan keseimbangan muatan pada ujung-ujung elemen kisi akan terganggu dan elemen ini akan berubah menjadi dipol. Seperti yang Anda lihat dari gambar, tanda plus akan muncul di atas dan minus di bawah. Tetapi keseluruhan kristal terdiri dari banyak sel elementer, sehingga akan muncul beda potensial pada permukaan kristal yang tegak lurus sumbu utamanya.

Kompresi Ketegangan

Gambaran serupa akan diamati selama deformasi tekan sepanjang sumbu yang sama. Namun di sini polaritas tegangan pada bagian tepinya akan berlawanan. Begitulah adanya efek piezoelektrik langsung(“piezo” - tekan).

TEKNOLOGI ULTRA AKUSTIK

Ada banyak kristal di permukaannya yang bila dideformasi akan timbul muatan listrik. Kristal seperti ini disebut piezoelektrik. Muatan permukaan yang timbul selama deformasi mempunyai tanda yang berbeda-beda pada bagian permukaan yang berbeda. Piezoelektrik termasuk kuarsa, turmalin, garam Rochelle dan banyak lainnya.

Hanya kristal ionik yang memiliki sifat piezoelektrik. Di bawah pengaruh gaya eksternal, subkisi kristal ion positif mengalami deformasi berbeda dari subkisi kristal ion negatif. Akibatnya, terjadi perpindahan relatif ion positif dan negatif, yang menyebabkan polarisasi kristal dan muatan permukaan. Polarisasi, pada perkiraan pertama, berbanding lurus dengan deformasi, dan deformasi kristal, pada gilirannya, berbanding lurus dengan gaya. Oleh karena itu, polarisasi berbanding lurus dengan gaya yang diberikan.

Pada Gambar. 6.1 secara kualitatif menjelaskan terjadinya efek piezoelektrik langsung dan terbalik pada kuarsa.

Di antara permukaan dielektrik yang bermuatan berlawanan, timbul beda potensial, yang dapat diukur, dan dari nilainya dapat ditarik kesimpulan tentang besarnya deformasi dan gaya yang diterapkan, yang memiliki banyak penerapan praktis. Misalnya, sensor piezoelektrik tersedia untuk mengukur tekanan yang bervariasi dengan cepat. Mikrofon piezoelektrik, sensor piezoelektrik dalam otomasi dan telemekanik, dll.

Efek piezoelektrik langsung

Selain efek piezoelektrik langsung, terdapat efek piezoelektrik terbalik pada piezoelektrik. Terdiri dari fakta bahwa piezoelektrik berubah bentuk di medan listrik eksternal. Keberadaannya mengikuti adanya pengaruh langsung dan hukum kekekalan energi. Ketika piezoelektrik dideformasi, usaha dikeluarkan untuk menghasilkan energi deformasi elastis dan energi medan listrik yang timbul sebagai akibat dari efek piezoelektrik. Oleh karena itu, ketika mendeformasi suatu piezoelektrik, perlu diatasi gaya tambahan, selain gaya elastis kristal, yang mencegah deformasi dan merupakan faktor penyebab efek piezoelektrik terbalik. Untuk mengimbangi gaya tambahan, perlu diterapkan medan listrik eksternal yang berlawanan dengan medan listrik yang timbul pada efek piezoelektrik. Jadi, untuk memperoleh suatu deformasi piezoelektrik di bawah pengaruh medan listrik luar, perlu sama dengan, tetapi berlawanan dengan, medan yang timbul sebagai akibat dari efek piezoelektrik langsung untuk deformasi tertentu. Mekanisme efek piezoelektrik terbalik mirip dengan mekanisme efek piezoelektrik langsung. Di bawah pengaruh medan listrik eksternal, subkisi kristal ion positif dan negatif berubah bentuk dengan cara yang berbeda, yang menyebabkan deformasi kristal.

Efek piezoelektrik terbalik juga memiliki banyak aplikasi praktis, khususnya pemancar ultrasonik kuarsa yang banyak digunakan.

Efek piezoelektrik terbalik:

Jadi, untuk pelat kuarsa (potongan X) yang berosilasi sepanjang ketebalannya, frekuensi resonansi (harmonik fundamental) dapat diperoleh dengan menggunakan rumus

dimana adalah tebal pelat, dinyatakan dalam cm.

Mengirimkan karya bagus Anda ke basis pengetahuan itu sederhana. Gunakan formulir di bawah ini

Pelajar, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.

Diposting pada http://www.allbest.ru/

Kementerian Umum dan pendidikan kejuruan wilayah Sverdlovsk

Kontrol pembentukan distrik perkotaan Verkhnesaldinsky

Institusi pendidikan kota "Sekolah menengah No. 2 dengan studi mendalam tentang fisika, matematika, bahasa dan sastra Rusia"

Proyek Penelitian

(arahan ilmiah dan teknis)

Efek piezoelektrik: efektif atau efisien?

Pelaku: Ionkin Alexander

siswa kelas 11a, lembaga pendidikan no.2

Ketua: Shevchuk Lyubov Aleksandrovna

Guru Fisika, kategori tertinggi

Verkhnaya Salda 2008

Perkenalan

“Perasaan misteri adalah yang paling indah

pengalaman yang tersedia bagi kita. Tepatnya ini

perasaan berdiri di tempat lahirnya seni sejati

dan sains sejati."

Albert Einstein

Fisika yang luar biasa dan fenomenal? Apa yang tidak biasa atau mengejutkan tentang hal itu? Tentu saja, fisikawan menganggap fisika sebagai ilmu yang menarik, tapi itu karena fisika adalah karya hidup mereka. Menemukan partikel subatom baru atau menemukan cara baru untuk menjelaskan fenomena yang sudah dikenal bisa jadi sangat melelahkan. Namun, sensasi kecil namun memuaskan bisa datang dari mengamati dan memahami fenomena alam sehari-hari di dunia sekitar kita. Lagi pula, jauh lebih menarik untuk berurusan dengan rekaman suara, sensor jarak jauh, dan pemantik api, jika Anda memahami esensinya. Keberhasilan fisika dalam menjelaskan fenomena sehari-hari sungguh menakjubkan dan fenomenal.

Kita hidup di abad ke-21, abad teknologi baru. Hidup tidak tinggal diam. Ada perkembangan ilmu pengetahuan, teknologi, industri, teknologi dan pendekatan terkini terhadap proses tertentu digunakan di mana-mana. Fenomena yang sudah diketahui, ditemukan sejak lama dan oleh seseorang, menemukan penerapan baru, kelahiran kembali, atau digunakan di bidang yang berkaitan dengan sains dan teknologi - arsitektur, konstruksi, komunikasi, dll.

Efek piezoelektrik juga banyak digunakan. Bahkan menurut saya masih banyak cadangan yang tersembunyi, belum ditemukan dan area penerapannya.

Tahun ajaran ini saya mulai mengerjakan pekerjaan saya proyek Penelitian dalam arah ilmiah dan teknis “Efek piezoelektrik: efektif atau efisien?”

Saat mengerjakan proyek ini, saya menetapkan tujuan: untuk mengetahui kemungkinan penggunaan efek piezoelektrik di berbagai bidang aktivitas manusia.

Bagi saya sendiri, saya telah mengidentifikasi tugas-tugas berikut:

Mengenal sejarah penemuan dan kajian fenomena efek piezoelektrik;

Perhatikan teori efek piezoelektrik;

Kenali area penerapan efek piezoelektrik;

Melakukan percobaan untuk mendemonstrasikan efek piezoelektrik langsung dan terbalik dan mengusulkan metode untuk menentukan nilai tegangan yang terjadi selama efek piezoelektrik langsung.

efek tegangan piezoelektrik

Sejarah penemuan dan penelitian efek piezoelektrik

Efek piezoelektrik ditemukan pada tahun 1880 oleh saudara Pierre dan Jacques Curie. Mereka menemukan bahwa jika kristal dari beberapa dielektrik (garam Rochelle, kuarsa, dll.) terkena aksi mekanis dan kompresi, maka muatan listrik dengan tanda yang berlawanan muncul di permukaannya, atau, seperti yang mereka katakan sekarang, polarisasi terinduksi muncul di kristal, yang menciptakan medan listrik eksternal dan internal kristal. Fenomena ini - munculnya medan listrik akibat tekanan - disebut efek piezoelektrik langsung.

Apakah penemuan ini kebetulan atau didahului oleh hipotesis ilmiah? Ketika mempelajari sifat listrik dielektrik padat dengan struktur kristal, Pierre Curie merumuskan suatu hal yang sangat prinsip umum, yang sekarang disebut prinsip Curie. Maknanya adalah sebagai berikut: fenomena tersebut memiliki semua tanda simetri yang dimiliki oleh penyebab yang memunculkannya; asimetri fenomena ditentukan sebelumnya oleh asimetri penyebabnya. Karena ion-ion yang bertanda berlawanan terletak di puncak kisi kristal, muatan total kristal dalam bentuk apa pun adalah nol. Namun jika pusat muatan positif dan negatif tidak berhimpitan, maka momen dipol kristal tersebut bukan nol dan terpolarisasi. Oleh karena itu, jika momen dipol suatu kristal dalam keadaan tidak terdeformasi adalah nol, maka sebagai akibat dari deformasi kristal di bawah pengaruh mekanis, pusat ion positif dan negatif dapat bergeser satu relatif terhadap yang lain dan muncul muatan dengan tanda yang berlawanan. permukaan kristal. Kemungkinan perpindahan tersebut tergantung pada simetri (bentuk) kristal.

Prinsip yang dirumuskan dan teori grup memungkinkan untuk mengidentifikasi kelas kristal yang memiliki efek piezoelektrik. Efek piezoelektrik terbalik adalah kristal bebas yang mempunyai efek piezoelektrik langsung berubah bentuk di bawah pengaruh medan listrik. Segera Curie bersaudara secara eksperimental mengkonfirmasi efek piezoelektrik terbalik.

Pengukuran kuantitatif pertama yang menetapkan hubungan antara besarnya muatan dan tekanan pada kristal garam Rochelle dilakukan oleh Pockels pada tahun 1894.

Hubungan kuantitatif ini dimasukkan ke dalam bentuk matematika oleh ilmuwan Jerman Voigt pada tahun 1910. Pada tahun 1928 dia membawa cukup banyak sistem yang lengkap hubungan ini, yang merangkum akumulasi pengetahuan di bidang piezoelektrik selama periode sebelumnya. Hubungan yang diperoleh Voigt sangat mendasar untuk konstruksinya model matematika dalam elektroelastisitas.

Efek piezoelektrik segera digunakan secara luas dalam perekaman, dan dalam produksi - di berbagai sensor piezoelektrik dalam sistem pemantauan dan kontrol.

Sejak pertengahan 30-an abad ke-20, elemen piezoelektrik mulai digunakan dalam sistem radar: resonator dan filter khusus yang terbuat dari kuarsa alami mengisolasi gelombang radio yang dipantulkan dari target dari spektrum yang luas dan memperkuatnya. Dalam perangkat ini, prinsip efek piezoelektrik terbalik sudah bekerja: ketika arus listrik diterapkan ke piezoelektrik, kristal berubah bentuk dan osilasi muncul di dalamnya, beresonansi dengan gelombang yang ditransmisikan oleh filter frekuensi. Selama Perang Dunia Kedua, sistem pertahanan udara yang dikembangkan oleh Inggris berdasarkan piezoelektrik kuarsa mendeteksi pesawat Jerman dari jarak jauh, sehingga membuat musuh tidak mendapat keuntungan dari kejutan. Hal ini sebagian besar disebabkan oleh kegagalan rencana Goering untuk mengalahkan Inggris Raya dengan Luftwaffe.

Perkembangan ilmu pesawat terbang dan roket pada tahun 50an dan 60an memerlukan produksi massal instrumen yang lebih akurat untuk sistem navigasi dan radar di dalam pesawat maupun di darat. Sangat sedikit kuarsa alami yang cocok (tanpa cacat struktural) yang ditambang. Ledakan piezoteknik yang sebenarnya dimulai pada pertengahan tahun lima puluhan, ketika mereka mempelajari cara menumbuhkan kristal kuarsa buatan - ini pertama kali dicapai oleh Alexander Shtenberg, seorang karyawan Institut Kristalografi Shubnikov dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet (IKAN).

Langasite - bahan piezoelektrik yang menjanjikan

Pada tahun 1983, sekelompok ilmuwan Soviet dari Departemen Fisika Universitas Negeri Moskow dan Institut Kristalografi menumbuhkan kristal langasit pertama (lanthanum gallium silikat - La 3 Ga 5 SiO 14). Awalnya direncanakan untuk digunakan sebagai elemen aktif laser solid-state dengan frekuensi radiasi variabel, beberapa parameter material tidak sesuai dengan spesialis optik nonlinier. Namun kualitas piezoelektriknya ternyata sangat menjanjikan sehingga dalam waktu yang tidak terbayangkan pada saat itu, sudah dua tahun setelah penemuannya, produksi kristal langasit dimulai di beberapa unit pertumbuhan Pabrik Kimia Eksperimental Podolsk (kuratornya adalah spesialis dari departemen kristalografi MISiS dan IKAN). Pada saat yang sama, Fonon, lembaga terkemuka untuk pengembangan piezoteknik, yang baru-baru ini dipisahkan dari perusahaan Piezo di ibu kota, menerima tugas untuk mengembangkan perangkat langasit untuk kepala pemandu rudal.

Ketertarikan pada langasite disebabkan oleh fakta bahwa ia memiliki pita transmisi yang lebih luas dibandingkan kuarsa dan pada saat yang sama, tidak seperti tantalate dan lithium niobate, ia memiliki stabilitas suhu. Bandwidth dicirikan oleh spektrum frekuensi yang menyertai gelombang utama, dan semakin luas bandwidth sinyal yang berguna dalam penguat frekuensi menengah, semakin besar jumlah informasi digital yang dapat diproses oleh peralatan radio pemancar dan penerima dan, karenanya, memberikan informasi yang lebih akurat. koordinat target yang terbang cepat. Pentingnya filter broadband mini tidak dapat ditaksir terlalu tinggi, misalnya pada komunikasi seluler. Jadi, untuk pengoperasian telepon dengan standar GSM yang sekarang tersebar luas (transmisi ucapan dan gambar diam), diperlukan bandwidth hanya 200 kHz, dan untuk W-CDMA, yang diperkirakan menjadi standar generasi berikutnya di seluruh dunia, karena ini memungkinkan transmisi gambar video secara real time, diperlukan bandwidth yang lebarnya sudah lebih dari 5 MHz. Artinya, pada frekuensi gelombang dasar 2 GHz, bandwidth filter harus lebih tinggi dari 0,3%. Untuk kuarsa, lebar transmisi, tergantung pada frekuensi gelombang fundamental, adalah 0,1-0,3%, untuk langasit - dari 0,3 hingga 1%.

Hingga saat ini, Rusia telah menandatangani kontrak dengan Temex Microsonics Prancis. Di mereka sebuah proyek bersama Sebagai bagian dari program inovasi Eropa Eureka, sekitar 3 juta euro akan diinvestasikan selama tiga tahun. Lebih dari 2 juta akan disediakan oleh pihak Perancis, terutama pemerintah Perancis, lebih dari 200 ribu akan dialokasikan oleh Yayasan Bortnik, dan sekitar 700 ribu dana sendiri akan diinvestasikan oleh Fomos. Akibatnya, perusahaan Rusia akan memasuki pasar Eropa dengan bahan piezoelektrik baru (dari bahasa Yunani piezo - I press), langasite, dan Temex Microsonics akan menggunakannya untuk mengatur produksi massal filter untuk sistem seluler generasi baru yang semakin tersebar luas ( standar W-CDMA).

Teori fisika efek piezoelektrik

Dielektrik (dalam bahasa Yunani. dia- melalui, melalui, dalam bahasa Inggris. pilihan- listrik) adalah zat yang tidak dapat menghantarkan listrik listrik. Alasannya adalah kurangnya biaya gratis untuk dielektrik. Muatan positif dan negatif dalam molekul dan atom dielektrik dihubungkan satu sama lain oleh gaya Coulomb secara signifikan kekuatan yang lebih unggul, yang dengannya medan listrik eksternal dapat mempengaruhi muatan-muatan ini. Ia tidak dapat memisahkannya satu sama lain, tetapi hanya dapat memindahkannya sejauh urutan ukuran molekul itu sendiri (10 -10 m). Oleh karena itu, muatan positif dan negatif dalam molekul dielektrik terikat. Mereka tidak dapat bergerak bebas sepanjang dielektrik yang dimasukkan ke dalam medan listrik eksternal.

Dalam molekul zat, dimungkinkan untuk menunjukkan titik di mana muatan total kulit elektron suatu molekul akan mempunyai pengaruh yang sama terhadap muatan positifnya seperti halnya semua muatan negatif molekul ini jika didistribusikan ke seluruh muatannya. volume.

Titik ini disebut pusat gravitasi muatan negatif molekul. Dengan cara yang sama, Anda dapat menunjukkan pusat gravitasi muatan positif, mis. titik di mana muatan positif total suatu molekul akan mempunyai pengaruh yang sama terhadap muatan negatifnya seperti halnya pengaruh semua muatan positif pada molekul tersebut.

Dielektrik, dalam molekul yang pusat gravitasi muatan positif dan negatifnya digabungkan tanpa adanya medan listrik eksternal, disebut dielektrik non-polar. Contoh dielektrik tersebut adalah gas: hidrogen, nitrogen, oksigen. Dielektrik, dalam molekul yang pusat gravitasi muatan positif dan negatifnya terpisah secara spasial dan tanpa adanya medan listrik eksternal, disebut polar. Contoh molekul polar adalah molekul es.

Perpindahan muatan dalam molekul dan atom dielektrik ke arah yang berlawanan di bawah pengaruh medan listrik, yang mengakibatkan munculnya muatan terikat tak terkompensasi pada permukaan dielektrik, disebut polarisasi dielektrik.

Dalam dielektrik amorf padat homogen dan isotop, serta dielektrik cair dan gas, tanpa adanya medan listrik eksternal, polarisasi selalu tidak ada karena misorientasi momen dipol masing-masing molekul. Jika dielektrik terpolarisasi tersebut dihilangkan dari medan listrik luar, maka gerakan kacau termal, yang selalu melekat pada molekul, dengan cepat menghilangkan muatan terikat pada permukaannya, dan momen dipol total setiap satuan volume dielektrik akan menjadi nol, artinya polarisasi akan hilang.

Namun, di alam terdapat dielektrik kristal, molekul-molekulnya membentuk kelompok yang memiliki polarisasi spontan bahkan tanpa adanya medan listrik eksternal. Jelas bahwa gugus-gugus ini hanya dapat dibentuk dari molekul polar. Kelompok molekul seperti itu disebut domain. Perilaku molekul-molekul yang menyusun domain dijelaskan oleh hukum mekanika kuantum.

Dielektrik dengan struktur domain disebut feroelektrik. Nama ini berasal dari kata "garam Rochelle" - feroelektrik paling khas, yang kemudian dinamai apoteker Perancis E. Segnette, yang pertama kali mensintesis zat ini.

Semua feroelektrik adalah kristal.

Ketika kristal feroelektrik non-polarisasi ditempatkan di medan listrik eksternal dan kekuatan medan ini meningkat, domain akan mulai semakin berorientasi sepanjang medan, yang dicegah oleh misorientasi termal molekul.

Gambar 1 Feroelektrik di medan luar

Ketika intensitas tertentu yang cukup tinggi tercapai, semua domain kristal akan berorientasi sepanjang medan. Keadaan dielektrik ini disebut saturasi, dan tegangan yang sesuai disebut tegangan saturasi.

Jika Anda melepaskan dielektrik dari medan listrik, polarisasinya akan tetap ada.

Kemampuan untuk mempertahankan polarisasi bahkan tanpa adanya medan listrik eksternal merupakan ciri terpenting yang membedakan feroelektrik dari dielektrik lainnya.

Untuk mendepolarisasi feroelektrik, ia harus ditempatkan pada medan listrik yang berlawanan dengan medan listrik aslinya.

Saat ini, beberapa ratus feroelektrik diketahui. Ciri penting kedua yang membedakannya dari dielektrik lain adalah nilai konstanta dielektrik relatif yang sangat tinggi, mencapai beberapa ribu untuk feroelektrik individu, sedangkan untuk dielektrik lain berfluktuasi dalam sepuluh dan hanya untuk air mencapai 81. Ciri ketiga dari feroelektrik adalah ketergantungan konstanta dielektrik relatif pada kuat medan listrik luar, sedangkan untuk dielektrik lainnya konstan.

Semua feroelektrik memiliki sifat luar biasa hanya dalam kisaran suhu tertentu. Misalnya, garam Rochelle memiliki struktur domain hanya pada kisaran suhu antara -15 0 C dan 22,5 0 C. Pada suhu lain ia berperilaku seperti dielektrik biasa. Misalnya, pada kuarsa, hingga suhu 200 derajat Celcius, sifat piezoelektriknya sedikit berubah, dan kemudian hingga suhu 576 derajat Celcius mulai melemah secara perlahan. Pada 576 derajat, terjadi restrukturisasi kisi kristal kuarsa, akibatnya sifat piezoelektriknya hilang. Ketika suhu menurun, sifat-sifat kuarsa berubah ke arah yang berlawanan.

Suhu transisi di mana dielektrik menjadi feroelektrik disebut titik Curie, diambil dari nama saudara Pierre dan Joliot Curie yang menemukan fenomena ini.

Untuk sebagian besar dielektrik, polarisasi terjadi di bawah pengaruh medan listrik eksternal, dan untuk piezoelektrik, sebagai akibat dari aksi mekanis, misalnya, selama kompresi atau tegangan.

Ada efek piezoelektrik memanjang dan melintang.

Munculnya muatan pada permukaan yang tegak lurus sumbu kutub selama deformasi seragam kristal sepanjang sumbu ini disebut efek piezoelektrik longitudinal. Namun, dimungkinkan untuk menyebabkan muatan muncul pada permukaan yang sama dengan menekan atau meregangkan kristal tegak lurus terhadap sumbu polar, selama kristal tersebut diregangkan atau dikompresi sepanjang sumbu polar. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik transversal. Keberadaannya ditentukan oleh hubungan antara deformasi memanjang dan melintang padat.

Gambar 2 Efek piezoelektrik memanjang (a) dan melintang (b).

Piezoelektrik semuanya adalah feroelektrik, serta beberapa dielektrik lainnya, misalnya kuarsa dan beberapa jenis keramik.

Hanya kristal ionik yang dapat memiliki sifat piezoelektrik. Efek piezoelektrik terjadi ketika, di bawah pengaruh gaya eksternal, subkisi kristal ion positif mengalami deformasi yang berbeda dari subkisi kristal ion negatif. Akibatnya, terjadi perpindahan relatif ion positif dan negatif, yang menyebabkan polarisasi kristal dan muatan permukaan. Pada perkiraan pertama, polarisasi berbanding lurus dengan deformasi, yang selanjutnya berbanding lurus dengan gaya. Oleh karena itu, polarisasi berbanding lurus dengan gaya yang diberikan. Perbedaan potensial muncul antara permukaan dielektrik terdeformasi yang bermuatan berlawanan, yang dapat diukur, dan berdasarkan nilainya, dapat ditarik kesimpulan tentang besarnya deformasi dan gaya yang diterapkan.

Gambaran fisik polarisasi dielektrik padat diungkapkan oleh mekanika kuantum. Saya hanya akan membahas teori formal polarisasi.

Piezoelektrik adalah kristal yang memiliki kisi-kisi ion positif dan negatif, yang bila dideformasi ke arah tertentu, muatan terikat permukaan muncul pada permukaan yang tegak lurus terhadap arah gaya deformasi.

Gambar 3 Kisi kuarsa

Jika permukaan-permukaan ini dilengkapi dengan pelat logam, maka muatan bebas terinduksi yang bertanda sama dengan muatan terikat akan muncul di permukaan luarnya. Akan ada beda potensial antar pelat.

Piezoelektrik klasik (dan praktis penting) adalah kuarsa (SiO 2). Sel satuan kisi kristalnya mengandung tiga molekul yang terdiri dari ion silikon (positif) dan oksigen (negatif). Mereka ditunjukkan secara skematis pada Gambar 3, A(kristal tidak berbentuk): ion positif berbentuk lingkaran yang diarsir, ion negatif berwarna putih.

Ketika kristal dikompresi dalam arah X1, simetri sel rusak (Gambar 3b). Muatan negatif terikat muncul di permukaan atas kristal, dan muatan positif yang sama muncul di bagian bawah. Ketika diregangkan (Gambar 3, c), tanda-tanda muatan berubah menjadi sebaliknya.

Kerapatan muatan permukaan pada deformasi relatif kecil sebanding dengan tegangan mekanis yang timbul pada kristal:

Ketergantungan ini disebut persamaan efek piezoelektrik langsung.

Koefisien proporsionalitas - modulus piezoelektrik D- dinyatakan dalam coulomb per newton (Cl N -1). Untuk kuarsa

D=2 10 -12 s/n.

Mari kita pertimbangkan efek piezoelektrik terbalik: ketika tegangan listrik diterapkan pada kristal, kristal berubah bentuk, dan tanda deformasi bergantung pada arah medan elektrostatis eksternal.

Gambar 4 Gambar skema efek piezoelektrik langsung (a, b) dan terbalik (c, d). Panah F dan E menggambarkan pengaruh eksternal - gaya mekanik dan kuat medan listrik. Garis putus-putus menunjukkan kontur piezoelektrik sebelum pengaruh luar, garis padat menunjukkan kontur deformasi piezoelektrik (diperbesar berkali-kali untuk kejelasan); P - vektor polarisasi

Biarkan tegangan mekanis =10 4 Pa ​​​​tercipta di dalam kristal. Dalam hal ini, massa jenis muatan yang dihasilkan adalah

2 10 -8 C/m 2

dan dalam kristal (=4,5) terbentuk medan elektrostatis dengan intensitas

Dengan ketebalan kristal H=10 -2 m pada pelat mukanya, diperoleh beda potensial sebesar 5 V.

Ketika tegangan listrik bolak-balik diterapkan pada piezoelektrik, ia berubah menjadi getaran mekanis paksa. Pada resonansi (dan pelat memiliki frekuensi alami, yang berbanding terbalik dengan ketebalan kristal), amplitudo getaran meningkat tajam. Jika suatu kristal dicelupkan ke dalam zat cair yang hambatan akustiknya tidak terlalu berbeda dengan hambatan akustik kristal, maka gelombang mekanik yang kuat akan tereksitasi di dalam zat cair tersebut. Frekuensi ultrasonik biasanya digunakan, di mana panjang gelombang dalam cairan pendek - ini memungkinkan untuk memperoleh gelombang yang merambat tanpa penyerapan yang nyata, yang merupakan kepentingan praktis.

Gelombang ultrasonik dapat dibuat dalam benda padat (seperti pengecoran logam), di mana gelombang merambat tanpa penyerapan yang nyata. Namun jika pada logam tersebut terdapat rongga yang tidak sengaja muncul pada saat pembuatan pengecoran, maka gelombang di atasnya akan hilang. Oleh karena itu, dengan memeriksa logam dengan gelombang ultrasonik, cacat internal dapat ditemukan tanpa merusaknya.

Karena percepatan gelombang ultrasonik sangat besar - dengan amplitudo x m ​​= 10 -6 m dan frekuensi = 10 5 Hz, maka amplitudo percepatannya adalah

4 10 5 m/s 2 =4 10 4 gram,

Gelombang ultrasonik digunakan untuk membersihkan permukaan benda logam (dicelupkan ke dalam cairan), untuk membuat emulsi (suspensi tetesan suatu cairan ke cairan lain yang tidak larut di dalamnya) dan banyak aplikasi praktis lainnya.

Bagaimana cara mengukur nilai tegangan tinggi yang dihasilkan oleh efek piezoelektrik?

Elemen piezo adalah bagian utama dari pemantik api piezo. Oleh karena itu, saya melakukan semua percobaan saya menggunakan pemantik api piezo. Agar mudah digunakan, saya melepas dua terminal dari wadah plastik.

Untuk menentukan tegangan keluaran saat mendemonstrasikan efek piezoelektrik langsung, saya menghubungkan satu terminal dari pemantik api ke badan elektrometer demonstrasi, dan terminal lainnya ke batang elektrometer. Saat Anda menekan tombol pemantik api dengan lembut, jarum elektrometer mulai menyimpang. Namun saya tidak dapat menentukan nilai tegangan maksimum dengan menggunakan elektrometer, karena panah perangkat melampaui skala (kita tahu bahwa nilai pembagian skala elektrometer kira-kira 300 V).

Saya akan mencoba menentukan dalam batas berapa tegangan yang dihasilkan akan berada. Untuk melakukan ini, kita akan melakukan percobaan dengan lampu neon. Saya akan melepas starter dari rangkaian lampu dan mencoba menyalakan lampu yang terhubung ke jaringan. Lampu tidak menyala. Agar pelepasan independen dapat diamati pada lampu, diperlukan perbedaan potensial sekitar sepuluh kilovolt. Saya akan mencoba menciptakan kondisi seperti itu menggunakan elemen piezoelektrik dari pemantik api, yang dihidupkan, bukan starter. Kami menghubungkan salah satu ujung pemantik api piezo ke salah satu elektroda lampu, yang lain ke luka kawat pada permukaan kaca lampu. Saat Anda menekan tombol pemantik piezo, lampu akan menyala.

Untuk lebih akurat menentukan tegangan pada keluaran yang lebih ringan, saya menggunakan skala demonstrasi. Saya merekatkan selembar kertas logam ke bagian bawah salah satu timbangan dan, dengan menggunakan kawat yang sangat tipis, menghubungkannya ke salah satu kontak pemantik api. Kemudian cangkir logam itu dibalik dan diletakkan di atas timbangan. Di atas cangkir ini saya meletakkan selembar kertas timah lainnya (saya menggunakan desain timbangan) dan menghubungkannya ke kontak kedua pemantik api. Dua pelat foil logam membentuk kapasitor pelat paralel. Menyeimbangkan timbangan menggunakan beban.

Saat Anda menekan tombol pemantik api dengan lembut, gaya tarik elektrostatik muncul di antara pelat dan timbangan menjadi tidak seimbang. Berdasarkan defleksi jarum timbangan, saya menentukan massa beban yang dibutuhkan untuk mengembalikan keseimbangan. Dengan cara ini saya bisa mengukur gaya maksimum antara pelat dan menghitung tegangannya. Saya melakukan 3 kali percobaan dimana saya menggunakan pelat dengan luas S = 1,21 10 -2 m 2, jarak antara keduanya diatur menjadi 2 10 -2 m, nilai rata-rata dalam percobaan tersebut adalah massa m = 7 10 - 4kg.

Mengetahui bahwa

Menggunakan rumus 1 yang diperoleh untuk menghitung tegangan, saya mendapatkan hasil sebagai berikut

Saat melakukan percobaan mengukur tegangan pada keluaran pemantik piezo, saya juga mengamati efek piezoelektrik terbalik. Jadi, ketika pelat kapasitor dilepaskan melalui korsleting, saya mendengar bunyi klik dari elemen piezoelektrik karena deformasinya ketika kapasitor dilepaskan.

Penerapan efek piezoelektrik

Aplikasi utama dari efek piezoelektrik: - konversi timbal balik getaran mekanik dan listrik - sensor frekuensi, sensor dan sumber getaran ultrasonik, pengambilan suara, pengukur tekanan, dll., karena piezoelektrik adalah konverter elektromekanis yang dapat dibalik, yaitu mampu mengubah mekanik energi menjadi energi listrik dan sebaliknya energi listrik menjadi energi mekanik. Konverter yang didasarkan pada penggunaan efek piezoelektrik langsung disebut generator konverter; mereka memiliki masukan mekanis dan keluaran listrik.

Konverter yang didasarkan pada penggunaan efek piezoelektrik terbalik disebut konverter motor; mereka memiliki masukan listrik dan keluaran mekanis. Ada banyak perangkat piezoelektrik yang diketahui berdasarkan penggunaan efek langsung dan terbalik. Efek langsung digunakan, misalnya, pada mikrofon, perekam suara, gaya mekanis, sensor perpindahan dan percepatan, pemantik gas rumah tangga, dll. Efek sebaliknya menjadi dasar penciptaan telepon, pengeras suara, pemancar ultrasonik, relai, motor , dll.

Transduser piezoelektrik dikenal dan telah menemukan aplikasi praktis - transformator piezoelektrik (disingkat piezotransformer). Perangkat piezotransformator ditunjukkan secara skematis pada Gambar 5, menjelaskan bahwa itu adalah transduser piezoelektrik berbentuk jaringan empat terminal yang hanya memiliki input dan output listrik.

Gambar 5 Piezotransformator

Pengoperasian piezotransformator didasarkan pada penggunaan efek piezoelektrik langsung dan terbalik. Tegangan listrik yang diterapkan pada elektroda masukan piezotransformator, sebagai akibat dari efek piezoelektrik terbalik, menyebabkan deformasi seluruh volume piezoelektrik, dan tegangan listrik (sekunder) muncul pada elektroda keluaran sebagai akibat dari piezoelektrik langsung. memengaruhi. Dalam piezotransformator, terjadi konversi energi ganda - listrik menjadi mekanik, dan kemudian mekanik menjadi listrik. Seperti trafo elektromagnetik, trafo piezo digunakan untuk mengubah tegangan listrik. Dengan memilih ukuran elektroda dan lokasinya, Anda dapat memperoleh nilai rasio transformasi yang berbeda. Piezotransformator biasanya digunakan dalam mode resonansi, di mana nilai rasio transformasi yang besar dicapai (dalam urutan beberapa ratus). Piezotransformator digunakan pada catu daya sekunder tegangan tinggi.

Elemen piezoelektrik adalah benda yang terbuat dari piezoelektrik dengan ukuran, bentuk geometris, dan orientasi tertentu relatif terhadap sumbu kristalografi utama (atau arah polarisasi dalam kasus piezokeramik, yang memiliki pelat konduktif (elektroda).

Gambar 6 Elemen piezoelektrik: 1 - pelat piezoelektrik; 2 - elektroda yang terbuat dari bahan konduktif, diaplikasikan pada tepi pelat

Elemen piezoelektrik adalah kapasitor listrik dengan dielektrik padat (kristal atau keramik). Ciri khusus kapasitor tersebut adalah adanya sifat piezoelektrik pada dielektrik yang mengisi ruang antar elektroda. Jika elemen piezoelektrik digunakan sebagai transduser elektromekanis, maka orientasinya dipilih berdasarkan persyaratan untuk mencapai efek terbesar. Gaya eksternal (baik mekanik maupun listrik) yang bekerja pada elemen piezoelektrik dapat terdistribusi atau terkonsentrasi. Kekuatan yang terdistribusi memungkinkan transformasi yang lebih efisien. Oleh karena itu, untuk mempolarisasi volume piezoelektrik secara lebih efektif, digunakan elektroda yang menutupi seluruh area permukaan elemen piezoelektrik, dan untuk menciptakan tegangan mekanis yang terdistribusi secara merata, digunakan bantalan yang terbuat dari bahan elastis yang pas untuknya. permukaan elemen piezoelektrik dan mengubah gaya terpusat eksternal menjadi gaya terdistribusi.

Gaya eksternal menyebabkan deformasi elemen piezoelektrik, polarisasinya, dan munculnya muatan listrik berlawanan pada elektroda. Jumlah muatan listrik atau tegangan yang dihasilkan dapat diukur dengan alat pengukur yang sesuai yang dihubungkan ke elektroda elemen piezoelektrik. Suatu gaya luar memberikan energi pada elemen piezo dalam bentuk deformasi elastis, yang dapat dihitung jika besarnya gaya kerja dan kekakuan elemen piezo diketahui. Bersamaan dengan deformasi elemen piezoelektrik, timbul tegangan listrik pada elektrodanya. Akibatnya, sebagian energi yang diberikan ke elemen piezo oleh gaya eksternal ternyata bersifat listrik dan nilainya dapat dihitung jika tegangan listrik pada elektroda dan kapasitansi elemen piezo diketahui.

Saat ini mereka berbicara tentang penggunaan bahan piezoceramic yang menjanjikan. Bahan piezoelektrik dapat dibagi menjadi dua kelompok: kristal tunggal piezoelektrik dan piezokeramik.

Bahan piezoelektrik alami cukup mahal. Dalam hal ini, kebutuhan elektronik yang berkembang pesat saat ini dipenuhi oleh kristal tunggal piezoelektrik sintetis, yang ditanam di instalasi khusus. Sifat piezoelektrik kristal tersebut dengan pengulangan yang cukup tinggi dapat ditentukan oleh komposisi komponen penyusunnya.

Kristal yang tumbuh dipotong menjadi pelat dengan cara tertentu, beberapa (feroelektrik) terpolarisasi, dan elemen piezoelektrik dibuat darinya dengan menggiling dan mengaplikasikan elektroda.

Berdasarkan sifat fisiknya, keramik piezoelektrik merupakan bahan feroelektrik polikristalin, yaitu senyawa kimia atau larutan padat (bubuk) butiran (kristal).

Menurut komposisi kimianya, ini adalah oksida kompleks, termasuk ion timbal atau barium divalen, serta ion titanium atau zirkonium tetravalen. Dengan mengubah rasio dasar bahan awal dan memasukkan aditif, berbagai komposisi piezokeramik disintesis yang memiliki karakteristik elektrofisika dan piezoelektrik tertentu.

Kelompok bahan piezoceramic yang paling banyak digunakan adalah jenis PZT (lead zirconate titanate). Pada saat yang sama, keramik berbahan dasar barium titanat (TB) dan timbal titanat (TC) digunakan. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan piezoceramic baru telah dikembangkan dengan sifat yang memungkinkannya, dalam beberapa kasus, digunakan sebagai pengganti kristal piezoelektrik yang lebih mahal. Secara khusus, sekelompok bahan berbasis timbal niobate telah dikembangkan dan diproduksi, yang telah menemukan aplikasi praktis karena kemungkinan penggunaannya dalam rentang frekuensi hingga 30 MHz atau lebih. Penelitian signifikan sedang dilakukan pada pembuatan material komposit piezoceramic, serta keramik multilayer. Pabrikan asing, tergantung pada sifat piezoelektrik, membaginya menjadi feroelektrik keras dan feroelektrik lunak. Dalam praktik rumah tangga, ada pembagian tambahan menjadi keramik dengan kekerasan feroelektrik sedang, dan bahan-bahan yang sangat stabil, suhu tinggi, dll juga dibedakan.

Berbeda dengan kristal piezoelektrik, elemen piezoceramic dibuat dengan pengepresan semi-kering, pengecoran slip, pencetakan injeksi panas, pengepresan ekstrusi atau isostatik, diikuti dengan pembakaran di udara pada suhu 1000-1400 0 C. Untuk mengurangi porositas, pembakaran dapat dilakukan. dilakukan dalam lingkungan oksigen, atau Elemen dibuat menggunakan metode pengecoran panas. Menggunakan teknologi khusus, elektroda diaplikasikan pada permukaan benda kerja.

Keramik kemudian dibuat piezoelektrik dengan arah polarisasi yang dipilih dengan menempatkannya dalam medan listrik kuat pada suhu di bawah titik Curie. Polarisasi biasanya merupakan proses akhir dalam pembuatan elemen piezoceramic, meskipun diikuti dengan stabilisasi termal dan kontrol parameter.

Keramik piezoelektrik adalah bahan yang keras dan inert secara kimia, sama sekali tidak sensitif terhadap kelembapan dan pengaruh atmosfer lainnya. Dari segi sifat mekanik mirip dengan isolator keramik.

Gambar 7 Elemen piezo dari berbagai konfigurasi

Tergantung pada tujuannya, elemen piezoelektrik dapat memiliki berbagai macam konfigurasi - dari datar hingga tiga dimensi (bola, belahan, dll.)

Elemen piezoelektrik ideal bila digunakan sebagai transduser elektromekanis. Mereka banyak digunakan untuk pembuatan komponen, rakitan dan perangkat piezoceramic. Beberapa elemen piezoceramic pada awalnya sudah dapat menjalankan fungsi komponen atau rakitan dan tidak memerlukan modifikasi tambahan. Semua produk yang dibuat berdasarkan piezoceramics dibagi menjadi beberapa kelompok utama berikut: generator, sensor, aktuator (piezo actuator), konverter dan sistem gabungan.

Generator piezoceramic mengubah aksi mekanis menjadi potensial listrik menggunakan efek piezoelektrik langsung. Contohnya termasuk penyala percikan tipe dorong dan tipe tumbukan, yang digunakan dalam berbagai jenis pemantik api dan sistem pengapian, serta baterai solid-state berdasarkan piezoceramics multilayer, yang digunakan dalam sirkuit elektronik modern.

Gambar 8 Sensor piezoelektrik

Sensor piezoceramic mengubah gaya atau gerakan mekanis menjadi sinyal listrik proporsional, yang juga didasarkan pada efek piezoelektrik langsung.

Dalam konteks pengenalan aktif teknologi komputer, sensor adalah perangkat yang sangat diperlukan yang memungkinkan koordinasi sistem mekanis dengan sistem pemantauan dan kendali elektronik.

Ada dua jenis utama sensor piezoceramic: aksial (gaya mekanik bekerja sepanjang sumbu polarisasi) dan fleksibel (gaya bekerja tegak lurus terhadap sumbu polarisasi).

Dalam sensor aksial, disk, cincin, silinder, dan pelat digunakan sebagai elemen piezo. Contohnya adalah sensor percepatan (accelerometer), sensor tekanan, sensor ketukan, sensor kehancuran, dan lain-lain. Contoh sensor fleksibel termasuk sensor gaya dan percepatan.

Aktuator piezoceramic (aktuator piezo) dibangun berdasarkan prinsip efek piezoelektrik terbalik dan oleh karena itu dirancang untuk mengubah besaran listrik (tegangan atau muatan) menjadi gerakan mekanis (geser) fluida kerja. Aktuator dibagi menjadi tiga kelompok utama: aksial, melintang dan fleksibel. Aktuator aksial dan melintang juga memiliki nama umum - bertumpuk berlapis-lapis, karena dirangkai dari beberapa elemen piezo (cakram, batang, pelat atau batangan) menjadi tumpukan. Mereka dapat mengembangkan gaya yang signifikan (gaya pemblokiran) hingga 10 kN pada tegangan kontrol 1 kV, tetapi dengan penyimpangan yang sangat kecil pada bagian kerja (dari beberapa nanometer hingga ratusan mikron). Aktuator seperti ini juga disebut aktuator kuat.

Aktuator fleksibel (bimorf) mengembangkan gaya pemblokiran yang tidak signifikan pada penyimpangan kecil (ratusan mikron) pada bagian kerja. Namun, perusahaan Amerika APC International Inc. berhasil membuat dan memasuki pasar dengan jenis bimorf pelat baru - “aktuator pita” (merek dagang terdaftar). Aktuator sabuk dapat memberikan gaya pemblokiran sebesar 0,95 N dan besar defleksi 1,2 mm, atau defleksi hingga 3 mm dan gaya pemblokiran 0,6 N.

Aktuator fleksibel termasuk dalam kelompok berdaya rendah. Kelompok ini juga akan mencakup aktuator aksial yang menjanjikan, yaitu monoblok yang dibuat menggunakan teknologi piezoceramics multilayer.

Aktuator paket dapat diproduksi oleh perusahaan yang tidak terkait dengan produksi piezoceramics. Aktuator fleksibel dan aksial yang terbuat dari keramik multilayer sendiri merupakan elemen piezoceramic. Mereka hanya dapat diproduksi oleh perusahaan yang memiliki teknologi dan peralatan untuk produksi elemen piezoceramic.

Transduser piezoceramic dirancang untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Sama seperti aktuator, mereka didasarkan pada prinsip efek piezoelektrik terbalik.

Tergantung pada rentang frekuensi, konverter dibagi menjadi tiga jenis:

suara (di bawah 20 kHz) - bel, mikrofon telepon, pengeras suara frekuensi tinggi, sirene, dll.;

ultrasonik - pemancar intensitas tinggi untuk pengelasan dan pemotongan, pencucian dan pembersihan bahan, sensor level cairan, penyemprot dispersi, generator kabut, inhaler, pelembab udara. Kelompok penting mencakup apa yang disebut pengukur jarak ultrasonik di udara, yang merupakan komponen piezoceramic. Mereka digunakan sebagai pengukur jarak untuk kendaraan otomotif, sensor kehadiran dan gerak dalam sistem keamanan, pengukur ketinggian, untuk pemantauan dan pengendalian jarak jauh, dalam perangkat untuk mengusir burung, hewan dan hama pertanian, dll. Tiga jenis perangkat diproduksi: transmisi, menerima dan transceiver;

ultrasonik frekuensi tinggi - peralatan untuk pengujian bahan dan pengujian non-destruktif, diagnostik dalam kedokteran dan industri, jalur penundaan, dll.

Sistem piezoceramic gabungan mengubah besaran listrik menjadi besaran listrik, menggunakan penggunaan efek piezoelektrik terbalik dan langsung secara berurutan. Contoh sistem tersebut termasuk alat pengeras suara gema, pengukur aliran, transformator piezo, dan “pencari kunci”.

Terlepas dari kenyataan bahwa efek piezoelektrik ditemukan kembali pada abad ke-19, dan sejak paruh kedua abad ke-20 teori dan teknologi pembuatan bahan piezoceramic telah aktif berkembang, diyakini bahwa piezoceramics adalah salah satu bahan yang menjanjikan di abad ke-21. abad. Alasan dari pandangan ini adalah bahwa sifat luar biasa yang melekat pada piezoceramics masih belum sepenuhnya diminati oleh ilmu pengetahuan, teknik dan teknologi.

Penggunaan aktif piezoceramics di berbagai bidang dimulai pada tahun 60-70an abad ke-20. Sifat-sifat sensor piezoceramic dan transduser piezoceramic telah dipelajari dan digunakan dengan cukup baik. Saat ini, piezoceramics banyak digunakan untuk diagnostik ultrasound di bidang kedokteran, penerbangan dan transportasi kereta api, energi, kompleks minyak dan gas; piezoceramics daya - dalam pengelasan ultrasonik, pembersihan permukaan, pelapisan, pengeboran, dll.

Pada saat yang sama, piezoceramics belum cukup digunakan untuk membuat generator, aktuator, dan sistem gabungan. Namun, persyaratan modern untuk penghematan energi, miniaturisasi, kemampuan beradaptasi terhadap kontrol komputer dan sistem pemantauan semakin memaksa produsen mesin dan peralatan untuk beralih ke produsen piezoceramics untuk bersama-sama mencari solusi teknologi tertentu menggunakan piezoceramics. Akibatnya, jenis piezoceramic baru muncul, elemen dan komponen piezoceramic baru dibuat dan elemen serta komponen piezoceramic yang dikenal ditingkatkan. Perhatian khusus saat ini diberikan pada transformator dan aktuator piezoceramic.

Meskipun konsumsi trafo piezo saat ini tidak terlalu besar, namun potensi penggunaannya di masa depan sangat besar.

Salah satu bidang yang menjanjikan adalah penggunaannya dalam perangkat penerangan berisi gas rumah tangga dan industri sebagai konverter DC-AC resonansi. Saat ini, berbagai komponen digunakan untuk tujuan ini. Perangkat penerangan masa depan sudah didasarkan pada prinsip yang memungkinkan penghematan listrik hingga 80% dibandingkan perangkat yang digunakan saat ini. Oleh karena itu, satu-satunya parameter yang harus dipenuhi oleh konverter yang menjanjikan adalah dimensi geometris minimumnya. Riset pasar menegaskan bahwa pengembang teknologi pencahayaan tidak begitu tertarik karakteristik komparatif dalam hal tegangan atau konsumsi daya konverter, berapa ukuran yang diperbolehkan untuk dipasang di dasar lampu. Studi terbaru menunjukkan kelayakan penggunaan transformator piezoceramic multilayer dalam teknologi pencahayaan baru. Prototipe konverter tersebut telah dikembangkan yang memenuhi hampir semua persyaratan, kecuali harga. Oleh karena itu, produsen piezoceramics secara aktif mengerjakan teknologi yang dapat mengurangi biayanya.

Area lain yang menjanjikan untuk menggunakan piezotransformator adalah penggunaannya dalam perangkat listrik. Perangkat modern telah muncul di pasaran yang menggunakan trafo multilayer daripada piezotransformator satu lapis (Jenis Rosen) tradisional. Contohnya termasuk lampu belakang layar kristal cair dan sistem petir fluoresen katoda dingin. Keunggulan piezotransformer multilayer dibandingkan trafo tradisional antara lain ukurannya yang kecil (terutama ketebalannya) dan konsumsi energi yang lebih rendah. Namun, untuk trafo multilayer modern yang muncul di pasaran, faktor penentunya masih harga dan ukuran, yang secara aktif berupaya dikurangi oleh produsen.

Ada kemungkinan besar penggunaan piezotransformator pada tampilan televisi dan komputer tingkat lanjut. Prototipe tampilan tersebut telah dikembangkan, yang disebut FED - Tampilan Emisi Lapangan (FED - Tampilan Emisi Lapangan). Ini adalah layar panel datar yang memiliki resolusi dan kejernihan gambar lebih tinggi daripada layar modern. Namun, layar generasi baru dengan gambar bebas kedip (Flicker Free Image Screen) sedang dikembangkan, yang kekuatannya juga memerlukan penggunaan transformator piezoceramic multilayer. Pasar peralatan televisi dan komputer sangat mencolok dengan produk-produk barunya dan memaksa produsen elemen piezoceramic untuk mengintensifkan penelitian dan pengembangan di bidang ini.

Stack Acuator sudah digunakan dalam teknologi luar angkasa, teknologi laser, dan instrumen optik untuk menyetel antena dan cermin dengan presisi pengukur. Dipercaya bahwa mereka akan menemukan kegunaan yang lebih luas di mana penting untuk mengembangkan kekuatan pendorong dengan sudut gerakan minimum.

Salah satu bidang yang menjanjikan adalah penggunaannya dalam penyempurnaan peralatan mesin. Berkat strukturnya yang kaku, aktuator piezo adalah alat yang ideal untuk penyesuaian yang cepat dan tepat. Dengan menerapkan tegangan tetap ke templat sefase dengan putaran spindel, dimungkinkan untuk memastikan pemesinan bagian yang presisi tinggi dengan fluida kerja mesin.

Dalam industri peralatan mesin, direncanakan untuk menggunakannya untuk menekan (mengkompensasi) getaran. Getaran peralatan mesin yang tidak diinginkan dapat dikompensasikan dengan menggunakan aktuator multilayer yang beroperasi dalam antifase dengan osilasi getaran. Hal ini, pada gilirannya, akan membantu meningkatkan kualitas produk akhir, serta menghindari keausan alat yang berlebihan dan secara signifikan mengurangi tingkat kebisingan mesin. Kompensator getaran dapat diterapkan tidak hanya di bidang pembuatan peralatan mesin, tetapi juga di bidang lain.

Bidang lain yang menjanjikan untuk menggunakan aktuator paket adalah pengendalian katup hidrolik. Contohnya adalah pengembangan terbaru katup piezoceramic berkecepatan tinggi untuk peralatan bahan bakar mesin diesel mobil dan truk, serta untuk sistem distribusi gas mesin diesel dan mesin pembakaran internal.

Contoh mencolok dari penggunaan terintegrasi elemen, rakitan, dan suku cadang piezoceramic berdasarkan elemen tersebut adalah pengembangan bersama dari perusahaan Amerika APC International, Ltd. dengan produsen komponen untuk industri otomotif.

Mobil modern dan rumit secara teknis terus-menerus memerlukan pengenalan perangkat elektronik tambahan untuk meningkatkan keandalan, keamanan, dan kenyamanan.

Jadi, piezoceramics, karena sifatnya properti unik semakin banyak digunakan di berbagai bidang teknik dan teknologi. Produsen piezoceramics asing, elemen dan komponen berdasarkan itu, berusaha untuk lebih memenuhi persyaratan pasar modern, melakukan penelitian dan pekerjaan desain untuk meningkatkan parameter keramik, mengembangkan jenis baru, yang dialokasikan dalam jumlah besar sumber keuangan. Untuk mengurangi biaya produk, teknologi baru sedang dikembangkan yang lebih hemat energi dan memungkinkan otomatisasi proses produksi. Dipercaya bahwa hanya perusahaan manufaktur piezoceramics besar, yang dilengkapi dengan teknologi canggih dan peralatan modern, yang dapat sepenuhnya memenuhi kebutuhan pasar global.

Efek piezoelektrik dalam pelayanan perusahaan pembentuk kota OJSC VSMPO-AVISMA Corporation

VSMPO-Avisma Corporation adalah perusahaan terkemuka di dunia dalam produksi produk setengah jadi dari paduan titanium untuk industri penerbangan, energi nuklir, kedokteran, dan bidang lainnya. Perusahaan kami adalah salah satu pemasok utama perusahaan terkenal seperti Snecma, Rolls Royce, Boeing, Pratt & Whitney, Goodrich.

Hal ini dimungkinkan berkat kualitas tinggi produk manufaktur, proses produksi berteknologi tinggi, penggunaan peralatan modern dan metode produksi.

Indikator dominan profitabilitas suatu perusahaan adalah biaya produksi. Dan mengurangi biaya dengan kualitas yang terus meningkat adalah tugas utama dan tetap perusahaan. Salah satu komponen biaya produksi adalah operasi teknologi pengendalian produk, yang di perusahaan kami terutama dapat diandalkan dan sensitif.

Diketahui bahwa efek piezoelektrik mendasari pengujian ultrasonik.

Di perusahaan kami, pengujian ultrasonik banyak digunakan untuk kontrol 100% produk di bengkel mekanik, termal, dan pengecoran, mis. produk-produk yang, karena kerumitan konfigurasinya, mengecualikan jenis deteksi cacat lainnya (sinar-X, fluoresen).

Pengujian ultrasonik didasarkan pada kemampuan energi getaran ultrasonik untuk merambat dengan kerugian rendah dalam media elastis homogen dan dipantulkan dari diskontinuitas dalam media tersebut. Ada dua metode utama pengujian ultrasonik - metode suara tembus dan metode refleksi. Sinar ultrasonik dimasukkan ke dalam sampel, dan indikator mengukur intensitas getaran yang ditransmisikan melalui sampel atau dipantulkan dari ketidakhomogenan yang terletak di dalam sampel. Cacat dideteksi dengan penurunan energi yang ditransmisikan melalui sampel, atau dengan energi yang dipantulkan dari cacat. Deteksi cacat ultrasonik dilakukan dengan menggunakan detektor cacat.

Detektor cacat (dari bahasa Latin "defect" - defisiensi dan bahasa Yunani "skopeo" - "I look") adalah perangkat yang memungkinkan Anda mendeteksi cacat pada produk yang terbuat dari berbagai bahan logam dan non-logam tanpa merusaknya. Apakah ada retakan pada produk, lubang di bagian dalam, atau cacat lain yang dapat menyebabkan kecelakaan - semua ini akan ditentukan oleh pendeteksi cacat. Namun retakan kecil sekalipun, yang tidak terlihat dengan mata telanjang, dapat menyebabkan kerusakan produk.

Mari kita pertimbangkan aspek fisik pengoperasian detektor cacat ultrasonik - USD.

Elemen utama dari perangkat tersebut adalah pelat kuarsa. Ketika gelombang suara yang dipantulkan oleh suatu cacat menimpanya, kuarsa dikompresi dan diregangkan pada frekuensi gelombang suara, dan tegangan listrik bolak-balik muncul di tepinya. Ini merupakan konsekuensi dari efek piezoelektrik langsung; akibatnya, di bawah pengaruh tekanan mekanis, muatan listrik muncul pada permukaan kuarsa dan beberapa dielektrik lainnya sebagai akibat dari polarisasinya.

Jika pulsa tegangan bolak-balik diterapkan pada pelat pelat kuarsa, pelat kuarsa mulai berosilasi dengan frekuensi tegangan yang diberikan dan menjadi sumber getaran akustik dengan frekuensi yang sama, dan efek piezoelektrik terbalik diamati.

Efek piezoelektrik hanya melekat pada kristal yang sel elementernya tidak memiliki pusat simetri. Ini adalah kristal ionik, yang seolah-olah terdiri dari dua atau beberapa kisi sederhana yang “didorong” satu sama lain, yang masing-masing dibangun dari ion-ion dengan tanda yang sama - baik positif atau negatif. Ketika kristal terdeformasi, kisi-kisi sederhana ini bergeser relatif satu sama lain. Dalam hal ini, momen listrik kristal berubah: tegangan listrik muncul di tepinya. Polarisasi piezoelektrik dalam medan listrik menyebabkan deformasi - efek piezoelektrik terbalik.

Gambar 9 Diagram USG

Mari kita perhatikan diagram USG. Pulsa frekuensi tinggi (2) disuplai dari generator ke pelat kuarsa (1). Pelat kuarsa mulai bergetar dan memancarkan gelombang ultrasonik ke volume bagian logam yang diuji.

Dipantulkan dari suatu cacat, misalnya retak, USG kembali ke pelat dan berubah menjadi getaran listrik (3) yang masuk ke osiloskop (5). Berdasarkan jarak antara pulsa langsung dan pulsa pantul, kedalaman cacat dapat ditentukan (4).

Laboratorium pengujian ultrasonik didirikan di VSMPO pada tahun 1962. Penggagas penciptaan laboratorium metode pengujian non-destruktif adalah Vladislav Valentinovich Tetyukhin. Dia membawa detektor cacat ultrasonik dan mengajarinya cara menggunakannya. Laboratorium ini diakui sebagai salah satu yang terbaik di industri penerbangan. Tim ini dipimpin oleh Arpad Frantsevich Nemeth. Spesialis sejati bekerja di sini. Misalnya, setelah banyak kesulitan dengan sensor untuk pengujian ultrasonik di pabrik Chisinau, diputuskan untuk memproduksinya sendiri. N.I.Kalinin mulai berbisnis - dan berhasil! Tidak ada seorang pun yang memiliki ketelitian, keakuratan, dan ketelitian dalam bekerja seperti Nikolai Ivanovich. Itulah spesialis yang tak tergantikan!

Dokumen serupa

Karakteristik efek piezoelektrik. Studi tentang efek struktur kristal: pertimbangan model, deformasi kristal. Mekanisme fisik dari efek piezoelektrik terbalik. Sifat kristal piezoelektrik. Menerapkan efek.

tugas kursus, ditambahkan 09.12.2010


Dasar fisik USG adalah getaran elastis, yang frekuensinya melebihi 20 kHz, merambat dalam bentuk gelombang longitudinal di lingkungan yang berbeda. Fenomena efek piezoelektrik terbalik. Aplikasi medis dari pemeriksaan USG.

tes, ditambahkan 01/06/2015


Konsep kisi kristal (spasial). Efek struktur kristal. Area penerapan film piezo industri. Efek piezoelektrik terbalik. Penggunaan kristal piezoelektrik untuk menghasilkan energi listrik.

tugas kursus, ditambahkan 14/04/2014


Ciri-ciri efek magnetoelastik sebagai fenomena magnetostriksi terbalik, yang terdiri dari perubahan magnetisasi magnet di bawah pengaruh deformasi mekanis. Menggunakan efek ini untuk mengukur gaya, torsi, dan tekanan.

tugas kursus, ditambahkan 13/12/2010


Konsep dan ciri umum efek fotoelastik serta penerapannya untuk memperoleh gambaran distribusi tegangan. Metode pengukuran dasar besaran fisis: parameter radiasi cahaya, tekanan dan percepatan menggunakan efek fotoelastik.

tugas kursus, ditambahkan 13/12/2010


Konsep efek potensiometri dan penerapannya dalam teknologi. Rangkaian ekivalen alat potensiometri. Pengukuran besaran fisis berdasarkan efek potensiometri. Sensor berdasarkan efek potensiometri.

tes, ditambahkan 18/12/2010


Penjelasan efek Hall menggunakan teori elektron. Efek hall pada feromagnet dan semikonduktor. Sensor aula EMF. Sudut aula. Konstanta aula. Pengukuran efek hall. Efek hall untuk pengotor dan konduktivitas intrinsik.

tugas kursus, ditambahkan 02/06/2007


Fitur dan prinsip efek posistor pada feroelektrik. Model Heywang dan Jonker. Teknologi dan tahapan utama memperoleh posistor, bidang penerapan praktisnya, studi eksperimental tentang efek yang sesuai.

tugas kursus, ditambahkan 21/12/2015


Karakteristik umum dan esensi dari efek piezoresonansi. Transduser dan sensor piezoresonan. Metode pencatatan radiasi pengion. Penentuan amonia di udara. Kesalahan yang membatasi keakuratan pengukuran berdasarkan efek fisik tertentu.

tugas kursus, ditambahkan 26/03/2012


Efek jangka panjang di bawah iradiasi ion dan foton. Metode kekerasan mikro sebagai cara untuk mencatat efek jangka panjang. Efek biologis gelombang elektromagnetik dalam rentang milimeter (EHF). Efek jarak jauh dalam sistem dioda silikon.

Ultrasonografi digunakan untuk memperoleh

Membalikkan efek piezoelektrik;

Magnetostriksi;

penyempitan listrik;

Efek piezoelektrik - efek polarisasi dielektrik di bawah pengaruh tekanan mekanis (efek piezoelektrik langsung). Ada juga efek piezoelektrik terbalik - terjadinya deformasi mekanis di bawah pengaruh medan listrik.

Efek piezoelektrik terbalik terdiri dari fakta bahwa pelat yang dipotong dengan cara tertentu dari kristal kuarsa (atau kristal anisotropik lainnya) di bawah pengaruh medan listrik dikompresi atau memanjang tergantung pada arah medan. Jika Anda menempatkan pelat seperti itu di antara pelat kapasitor datar, yang diberi tegangan bolak-balik, pelat tersebut akan mengalami osilasi paksa. Getaran pelat diteruskan ke partikel lingkungan(udara atau cairan), yang menghasilkan gelombang ultrasonik.

Fenomena magnetostriksi terdiri dari adalah batang feromagnetik (baja, besi, nikel dan paduannya) mengubah dimensi linier di bawah pengaruhnya Medan gaya, diarahkan sepanjang sumbu batang. Dengan menempatkan batang seperti itu dalam medan magnet bolak-balik (misalnya, di dalam kumparan yang dilalui arus bolak-balik), kita akan menyebabkan osilasi paksa pada batang, yang amplitudonya akan sangat besar pada resonansi. Ujung batang yang berosilasi menciptakan gelombang ultrasonik di lingkungan, yang intensitasnya berbanding lurus dengan amplitudo osilasi ujungnya.

Beberapa bahan (misalnya keramik) mampu mengubah dimensinya dalam medan listrik. Fenomena ini, yang disebut elektrostriksi, secara lahiriah berbeda dari efek piezoelektrik terbalik karena perubahan ukuran hanya bergantung pada kekuatan medan yang diterapkan, tetapi tidak bergantung pada tandanya. Bahan-bahan tersebut termasuk barium titanat dan timbal zirkonat titanat.

Konverter yang menggunakan fenomena yang dijelaskan di atas masing-masing disebut piezoelektrik, magnetostriktif, dan elektrostriktif.

Pemancar ultrasonik.

Di alam, USG ditemukan baik sebagai komponen dari banyak kebisingan alam (dalam kebisingan angin, air terjun, hujan, dalam kebisingan kerikil yang digulung oleh ombak laut, dalam suara yang menyertai pelepasan badai petir, dll.), dan di antara suara-suara tersebut. suara dunia binatang. Beberapa hewan menggunakan gelombang ultrasonik untuk mendeteksi rintangan dan bernavigasi di luar angkasa.

Pemancar ultrasonik dapat dibagi menjadi dua kelompok besar. Yang pertama mencakup generator penghasil emisi; osilasi di dalamnya tereksitasi karena adanya hambatan di jalur aliran konstan - aliran gas atau cairan. Kelompok penghasil emisi kedua adalah transduser elektroakustik; mereka mengubah fluktuasi tegangan atau arus listrik menjadi getaran mekanis benda padat, yang memancarkan gelombang akustik ke lingkungan.

Pemancar ultrasonik elektromekanis menggunakan fenomena efek piezoelektrik terbalik dan terdiri dari elemen berikut(Gbr.1)

Pelat terbuat dari bahan dengan sifat piezoelektrik;

Elektroda diendapkan pada permukaannya dalam bentuk lapisan konduktif;

Generator yang mensuplai tegangan bolak-balik dengan frekuensi yang diperlukan ke elektroda.

Ketika tegangan bolak-balik diterapkan ke elektroda (2) dari generator (3), pelat (1) mengalami regangan dan kompresi secara berkala. Terjadi osilasi paksa yang frekuensinya sama dengan frekuensi perubahan tegangan. Getaran ini ditransmisikan ke partikel lingkungan, menciptakan gelombang mekanis dengan frekuensi yang sesuai. Amplitudo osilasi partikel medium di dekat emitor sama dengan amplitudo osilasi pelat.

Keunikan USG mencakup kemungkinan memperoleh gelombang dengan intensitas tinggi bahkan dengan amplitudo getaran yang relatif kecil, karena pada amplitudo tertentu kerapatan fluks energi sebanding dengan frekuensi kuadrat.

Saya = ρ ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)

Intensitas maksimum radiasi ultrasonik ditentukan oleh sifat bahan pemancar, serta karakteristik kondisi penggunaannya.

Kisaran intensitas pembangkitan AS di wilayah USF sangat luas: dari 10 -14 W/cm 2 hingga 0,1 W/cm 2 .

Untuk banyak tujuan, diperlukan intensitas yang jauh lebih tinggi dibandingkan yang dapat diperoleh dari permukaan emitor. Dalam kasus ini, Anda dapat menggunakan pemfokusan.

Penerima USG. Penerima USG elektromekanis menggunakan fenomena efek piezoelektrik langsung.

Dalam hal ini, di bawah pengaruh gelombang ultrasonik, pelat kristal (1) bergetar, akibatnya tegangan bolak-balik muncul pada elektroda (2), yang dicatat oleh sistem perekam (3).

Di sebagian besar perangkat medis, generator gelombang ultrasonik juga digunakan sebagai penerima.

Sifat USG yang menentukan penggunaannya untuk tujuan diagnostik dan terapeutik (panjang gelombang pendek, arah, refraksi dan refleksi, penyerapan, kedalaman setengah penyerapan)

Efek terapeutik USG ditentukan oleh faktor mekanik, termal dan kimia. Tindakan gabungan mereka meningkatkan permeabilitas membran, melebarkan pembuluh darah, meningkatkan metabolisme, yang membantu memulihkan keseimbangan tubuh. Sinar ultrasonografi tertutup dapat digunakan untuk melakukan pijatan lembut pada jantung, paru-paru, dan organ serta jaringan lainnya.

a) Panjang gelombang pendek. Fokus. Panjang gelombang ultrasonik secara signifikan lebih kecil daripada panjang gelombang suara. Mengingat panjang gelombang λ=υ/ν, kita peroleh: untuk bunyi dengan frekuensi 1 kHz, panjang gelombang λ bunyi = 1500/1000 = 1,5 m; untuk USG dengan frekuensi 1 MHz, panjang gelombang λ knot = 1500/1.000.000 = 1,5 mm.

Karena panjang gelombangnya yang pendek, pemantulan dan difraksi USG terjadi pada benda yang ukurannya lebih kecil daripada suara yang terdengar. Misalnya benda berukuran 10 cm tidak akan menjadi penghalang gelombang bunyi dengan λ=1,5 m, tetapi akan menjadi penghalang gelombang ultrasonik dengan λ=1,5 mm. Dalam hal ini muncul bayangan ultrasonik, oleh karena itu dalam beberapa kasus perambatan gelombang ultrasonik dapat digambarkan menggunakan sinar dan hukum pemantulan dan pembiasan dapat diterapkan padanya. Artinya, dalam kondisi tertentu, gelombang ultrasonik merambat dalam aliran terarah, yang mana hukum optik geometris berlaku.

b) Pembiasan dan pemantulan. Seperti semua jenis gelombang, USG dicirikan oleh fenomena pemantulan dan pembiasan. Hukum yang dipatuhi oleh fenomena ini sangat mirip dengan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya. Oleh karena itu, dalam banyak kasus, perambatan gelombang ultrasonik digambarkan menggunakan sinar.

Untuk mengkarakterisasi proses secara kuantitatif, konsep koefisien refleksi R=I neg /I o diperkenalkan, di mana I neg adalah intensitas gelombang ultrasonik yang dipantulkan; I o - intensitas kejadian. Ini adalah besaran tak berdimensi yang bervariasi dari nol (tidak ada pemantulan) hingga satu (pemantulan total).

Semakin besar perbedaan impedansi gelombang (ρυ) media, semakin besar proporsi energi yang dipantulkan dan semakin kecil proporsi energi yang melewati antarmuka.

Hambatan gelombang media biologis kira-kira 3000 kali lebih besar dibandingkan hambatan gelombang udara (R = 1/3000), sehingga refleksi pada batas kulit udara adalah 99,99%. Jika emitor dioleskan langsung ke kulit seseorang, maka USG tidak akan menembus ke dalam, melainkan akan dipantulkan dari lapisan tipis udara antara emitor dan kulit. Untuk menghilangkan lapisan udara, permukaan kulit dilapisi dengan lapisan pelumas yang sesuai (water jelly), yang berfungsi sebagai media transisi yang mengurangi pantulan.

Pelumas harus memenuhi persyaratan yang relevan: memiliki ketahanan akustik yang mendekati ketahanan akustik kulit, memiliki koefisien penyerapan ultrasonik yang rendah, memiliki viskositas yang signifikan, membasahi kulit dengan baik, tidak beracun (minyak petroleum jelly, gliserin, dll.) .

c) Penyerapan, kedalaman setengah penyerapan. Sifat penting berikutnya dari USG adalah penyerapannya dalam media: energi getaran mekanis partikel medium diubah menjadi energi gerakan termalnya. Energi gelombang mekanik yang diserap medium menyebabkan pemanasan medium. Efek ini dijelaskan dengan rumus:

saya = saya o. e -kl (3)

dimana I adalah intensitas gelombang ultrasonik yang menempuh jarak l dalam medium; I o - intensitas awal; k adalah koefisien serapan USG dalam medium; e – basis logaritma natural (e = 2,71).

Selain koefisien serapan, kedalaman setengah serapan juga digunakan sebagai karakteristik serapan ultrasonik.

Kedalaman setengah serapan adalah kedalaman dimana intensitas gelombang ultrasonik berkurang setengahnya.

Kedalaman setengah penyerapan memiliki arti berbeda untuk jaringan yang berbeda. Oleh karena itu, untuk keperluan medis, gelombang ultrasonik dengan berbagai intensitas digunakan: rendah - 1,5 W/m2, sedang - (1,5-3) W/m2 dan tinggi - (3-10) W/m2.

Penyerapan dalam media cair jauh lebih sedikit dibandingkan dengan jaringan lunak dan terlebih lagi pada jaringan tulang.

8. Interaksi USG dengan materi: aliran akustik dan kavitasi, pelepasan panas dan reaksi kimia, pantulan bunyi, penglihatan bunyi).

a) Aliran akustik dan kavitasi. Gelombang ultrasonik dengan intensitas tinggi disertai dengan sejumlah efek tertentu. Dengan demikian, perambatan gelombang ultrasonik dalam gas dan cairan disertai dengan pergerakan medium, dan timbullah aliran akustik (angin sonik), yang kecepatannya mencapai 10 m/s. Pada frekuensi dalam rentang frekuensi ultrasonik (0,1-10) MHz dalam medan ultrasonik dengan intensitas beberapa W/cm 2, dapat terjadi semburan dan penyemprotan cairan dengan terbentuknya kabut yang sangat halus. Fitur perambatan ultrasonik ini digunakan dalam inhaler ultrasonik.

Fenomena penting yang terjadi selama perambatan ultrasonografi intens dalam cairan antara lain kavitasi akustik-pertumbuhan gelembung di bidang ultrasonik dari inti gas atau uap submikroskopis yang ada dalam cairan hingga ukuran pecahan mm, yang mulai berdenyut pada frekuensi ultrasonik dan runtuh dalam fase tekanan positif. Ketika gelembung gas pecah, tekanan lokal yang besar akan mencapai ribuan atmosfer, gelombang kejut berbentuk bola terbentuk. Dampak mekanis yang begitu kuat pada partikel dapat menyebabkan berbagai efek, termasuk efek destruktif, bahkan tanpa pengaruh aksi termal USG. Efek mekanis sangat signifikan ketika terkena USG terfokus.

Konsekuensi lain dari runtuhnya gelembung kavitasi adalah pemanasan yang kuat dari isinya (hingga suhu sekitar 10.000 0 C), disertai dengan ionisasi dan disosiasi molekul.

Fenomena kavitasi disertai dengan erosi pada permukaan kerja penghasil emisi, kerusakan sel, dll. Namun fenomena ini juga membawa sejumlah dampak menguntungkan. Misalnya, di daerah kavitasi, terjadi peningkatan pencampuran zat yang digunakan untuk membuat emulsi.

b) Pelepasan panas dan reaksi kimia. Penyerapan USG oleh suatu zat disertai dengan transisi energi mekanik menjadi energi dalam zat, yang menyebabkan pemanasannya. Pemanasan paling intens terjadi di area yang berdekatan dengan antarmuka, ketika koefisien refleksi mendekati satu (100%). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sebagai akibat dari pemantulan, intensitas gelombang di dekat batas meningkat dan, dengan demikian, jumlah energi yang diserap meningkat. Hal ini dapat diverifikasi secara eksperimental. Anda perlu memasang pemancar ultrasonik ke tangan Anda yang basah. Segera, sensasi (mirip dengan rasa sakit akibat luka bakar) muncul di sisi berlawanan dari telapak tangan, yang disebabkan oleh USG yang dipantulkan dari antarmuka kulit-udara.

Jaringan dengan struktur kompleks (paru-paru) lebih sensitif terhadap pemanasan ultrasonik dibandingkan jaringan homogen (hati). Relatif banyak panas yang dihasilkan pada antarmuka antara jaringan lunak dan tulang.

Pemanasan lokal jaringan dengan sepersekian derajat meningkatkan aktivitas vital objek biologis dan meningkatkan intensitas proses metabolisme. Namun paparan yang terlalu lama dapat menyebabkan panas berlebih.

Dalam beberapa kasus, USG terfokus digunakan untuk mempengaruhi struktur individu tubuh secara lokal. Efek ini memungkinkan untuk mencapai hipertermia terkontrol, yaitu. pemanasan hingga 41-44 0 C tanpa membuat jaringan di sekitarnya terlalu panas.

Peningkatan suhu dan perubahan tekanan yang menyertai lewatnya USG dapat menyebabkan terbentuknya ion dan radikal yang dapat berinteraksi dengan molekul. Dalam hal ini, dapat terjadi reaksi kimia yang tidak mungkin terjadi pada kondisi normal. Efek kimiawi USG dimanifestasikan, khususnya, dengan pemecahan molekul air menjadi radikal H + dan OH -, diikuti dengan pembentukan hidrogen peroksida H 2 O 2.

c) Pemantulan bunyi. Visi yang sehat. Berdasarkan pantulan gelombang ultrasonik dari ketidakhomogenan penglihatan suara, digunakan dalam pemeriksaan USG medis. Dalam hal ini, USG yang dipantulkan dari ketidakhomogenan diubah menjadi getaran listrik, dan yang terakhir menjadi cahaya, yang memungkinkan Anda melihat objek tertentu di layar dalam media yang tidak tembus cahaya.

Mikroskop ultrasonik telah dibuat pada frekuensi dalam rentang ultrasonik - perangkat yang mirip dengan mikroskop biasa, kelebihannya dibandingkan mikroskop optik adalah untuk penelitian biologi, tidak diperlukan pewarnaan awal pada objek. Ketika frekuensi gelombang ultrasonik meningkat, resolusinya meningkat (ketidakhomogenan yang lebih kecil dapat dideteksi), tetapi kemampuan penetrasinya menurun, mis. kedalaman di mana struktur yang diinginkan dapat diperiksa berkurang. Oleh karena itu, frekuensi USG dipilih untuk menggabungkan resolusi yang cukup dengan kedalaman penyelidikan yang diperlukan. Jadi, untuk pemeriksaan USG kelenjar tiroid yang terletak tepat di bawah kulit digunakan gelombang frekuensi 7,5 MHz, dan untuk pemeriksaan organ. rongga perut menggunakan frekuensi 3,5 – 5,5 MHz. Selain itu, ketebalan lapisan lemak juga diperhitungkan: untuk anak kurus digunakan frekuensi 5,5 MHz, dan untuk anak dan orang dewasa yang kelebihan berat badan digunakan frekuensi 3,5 MHz.

9. Efek biofisik USG: mekanik, termal, fisikokimia.

Ketika USG bekerja pada objek biologis di organ dan jaringan yang disinari pada jarak yang sama dengan setengah panjang gelombang, perbedaan tekanan dari satuan hingga puluhan atmosfer dapat terjadi. Dampak intens seperti itu menimbulkan berbagai efek biologis, yang sifat fisiknya ditentukan aksi bersama fenomena mekanik, termal dan fisika-kimia menyertai penyebaran USG di lingkungan.

Tindakan mekanis ditentukan oleh tekanan akustik variabel dan terdiri dari pijat mikro getaran jaringan pada tingkat sel dan subsel, meningkatkan permeabilitas membran seluler, intraseluler dan jaringan karena efek depolimerisasi ultrasound pada asam hialuronat dan kondroitin sulfat, yang memerlukan peningkatan hidrasi jaringan. lapisan dermal.

Efek termal terkait dengan transformasi energi mekanik menjadi energi panas, sedangkan panas dihasilkan secara tidak merata di jaringan tubuh. Terutama banyak panas yang terakumulasi pada batas media karena perbedaan resistensi akustik jaringan, serta pada jaringan yang menyerap energi ultrasonik dalam jumlah lebih besar (jaringan saraf, tulang), dan di tempat-tempat yang kekurangan pasokan darah.

Tindakan fisika-kimia karena energi kimia menyebabkan resonansi mekanik pada jaringan tubuh. Di bawah pengaruh yang terakhir, pergerakan molekul dipercepat dan disintegrasi mereka menjadi ion meningkat, dan keadaan isoelektrik berubah. Medan listrik baru terbentuk, perubahan kelistrikan dalam sel. Struktur air dan keadaan hidrasi cangkang berubah, radikal dan berbagai produk sonolisis pelarut biologis muncul. Akibatnya, terjadi stimulasi proses fisikokimia dan biokimia dalam jaringan dan aktivasi metabolisme.

Piezoelektrik ditemukan pada tahun 1880 oleh saudara Jacques dan Pierre Curie. Mereka memperhatikan bahwa ketika tekanan diterapkan pada kuarsa atau kristal individu, muatan listrik dihasilkan. Fenomena ini kemudian disebut efek piezoelektrik.

Segera Curie bersaudara menemukan efek piezoelektrik terbalik. Ini terjadi setelah medan listrik diterapkan pada material atau kristal, menyebabkan benda tersebut berubah bentuk secara mekanis.

Istilah piezoelektrik berasal dari kata Yunani piezo yang berarti kompresi. Perlu dicatat bahwa kata “listrik” berasal dari kata Yunani “amber”. Amber juga bisa menjadi sumber energi listrik.

Banyak perangkat elektronik modern menggunakan efek piezoelektrik untuk beroperasi. Misalnya, pada beberapa perangkat pengenalan audio, mikrofon yang digunakan beroperasi berdasarkan efek yang disebutkan di atas. Kristal piezoelektrik mengubah energi suara Anda menjadi sinyal listrik yang dapat digunakan oleh ponsel cerdas, komputer, dan perangkat elektronik lainnya.

Penciptaan beberapa teknologi canggih juga dimungkinkan berkat efek piezoelektrik. Misalnya, sonar berdaya tinggi menggunakan mikrofon kecil dan sensitif serta sensor suara keramik berdasarkan efek piezoelektrik.

Efek piezoelektrik langsung

Bahan piezoelektrik (keramik atau kristal) ditempatkan di antara dua pelat logam. Untuk menghasilkan muatan listrik, perlu diterapkan gaya mekanis (kompres atau pelepasan). Ketika gaya mekanis diterapkan, muatan listrik mulai terakumulasi pada pelat logam:

Dengan cara ini, efek piezoelektrik bertindak seperti baterai mini. Mikrofon, sensor tekanan, sonar, dan perangkat sensitif lainnya menggunakan efek ini untuk beroperasi.

Efek piezoelektrik terbalik

Telah disebutkan di atas bahwa ada juga efek piezoelektrik terbalik. Itu terletak pada kenyataan bahwa ketika tegangan listrik diterapkan pada kristal piezoelektrik, deformasi mekanis benda akan terjadi, di mana ia akan mengembang atau berkontraksi:

Efek piezoelektrik terbalik sangat membantu dalam pengembangan perangkat akustik. Contohnya termasuk pengeras suara, sirene, dan bel. Keuntungan dari speaker tersebut adalah sangat tipis, sehingga hampir tidak tergantikan bila digunakan pada perangkat kecil, seperti ponsel. Efek ini juga sering digunakan oleh sensor ultrasonik medis dan hidroakustik.

Bahan piezoelektrik

Bahan-bahan ini harus menghasilkan energi listrik karena gaya mekanik seperti kompresi. Selain itu, bahan-bahan ini harus berubah bentuk ketika diberi tekanan.

Bahan-bahan ini secara konvensional dibagi menjadi dua kelompok - produk kristal dan keramik. PZT (dikenal sebagai timbal zirkonat titanat), barium titanat, dan litium niobate merupakan contoh bahan piezoelektrik buatan yang memiliki efek lebih nyata dibandingkan kuarsa dan bahan alami lainnya.

Mari kita bandingkan timbal zirkonat titanat PZT yang diproduksi secara artifisial dan unsur kuarsa alami. Jadi, PZT mampu menghasilkan tegangan yang jauh lebih besar untuk deformasi yang sama. Oleh karena itu, dengan efek sebaliknya, ia rentan terhadap deformasi yang lebih besar pada tegangan yang sama. Kuarsa adalah bahan piezoelektrik pertama yang diketahui.

PsT diproduksi di suhu tinggi dari dua unsur kimia - timbal dan zirkonium, dengan tambahan senyawa kimia disebut titanat. Rumus kimia PZT PbO3. Hal ini banyak digunakan untuk memproduksi transduser ultrasonik, kapasitor keramik, sensor dan perangkat elektronik lainnya. Ia juga memiliki serangkaian properti berbeda yang spesifik. Ini pertama kali diproduksi pada tahun 1952 di Institut Teknologi Tokyo.

Barium titanat merupakan bahan keramik feroelektrik dengan sifat piezoelektrik. Oleh karena itu, barium titanat lebih banyak digunakan sebagai bahan piezoelektrik dibandingkan bahan lainnya. Barium titanat ditemukan pada tahun 1941 selama Perang Dunia II dan telah rumus kimia BaTiO3.

Litium niobate adalah senyawa yang menggabungkan oksigen, litium, dan niobium. Ia memiliki rumus kimia LiNbO 3. Seperti barium titanat, ini adalah bahan keramik feroelektrik.

Perangkat piezoelektrik

Sonar

Sonar ditemukan pada tahun 1900an oleh Lewis Nixon. Awalnya digunakan untuk mendeteksi gunung es. Namun, minat terhadapnya meningkat pesat selama Perang Dunia Pertama, ketika ia digunakan untuk mendeteksi kapal selam. Saat ini, sonar adalah perangkat yang umum digunakan jumlah besar berbagai jenis aplikasi.

Gambar di bawah menunjukkan prinsip kerja sonar:

Dan prinsip pengoperasiannya cukup sederhana - pemancar yang menggunakan efek piezoelektrik terbalik mengirimkan gelombang suara ke arah tertentu. Ketika gelombang mengenai suatu benda, gelombang tersebut dipantulkan dan kembali lagi, dimana gelombang tersebut terdeteksi oleh penerima.

Penerima, tidak seperti pemancar, menggunakan efek piezoelektrik langsung. Ini mengubah gelombang suara yang dipantulkan kembali menjadi sinyal listrik dan mengirimkannya ke sistem elektronik, yang selanjutnya akan memproses sinyal tersebut. Jarak dari sumber sinyal ke objek yang diidentifikasi dihitung berdasarkan karakteristik waktu sinyal pemancar-penerima.

Aktuator piezoelektrik

Pengoperasian penggerak daya berdasarkan efek piezoelektrik ditunjukkan di bawah ini:

Pengoperasian penggerak cukup sederhana - di bawah pengaruh tegangan yang diterapkan pada material, penggerak mengembang atau berkontraksi, yang membuat penggerak bergerak.

Misalnya, beberapa mesin rajut menggunakan efek ini untuk pekerjaannya karena kesederhanaannya dan jumlah bagian yang berputar yang minimal. Drive semacam itu bahkan digunakan di beberapa camcorder dan ponsel sebagai drive fokus.

Pengeras suara dan bel piezoelektrik

Perangkat tersebut menggunakan efek piezoelektrik terbalik untuk menciptakan dan mereproduksi suara. Ketika tegangan dialirkan ke speaker dan buzzer, ia mulai bergetar dan menghasilkan gelombang suara.

Speaker piezoelektrik biasanya digunakan pada jam alarm atau sistem speaker sederhana lainnya untuk membuat sistem audio sederhana. Keterbatasan ini disebabkan oleh frekuensi cutoff sistem ini.

Driver piezo

Driver piezo dapat mengubah tegangan baterai rendah menjadi tegangan tinggi untuk memberi daya pada perangkat daya piezoelektrik. Driver piezo membantu para insinyur menciptakan tegangan gelombang sinus yang besar.

Di bawah ini adalah diagram blok yang menunjukkan prinsip pengoperasian driver piezo:

Driver piezo akan menerima tegangan rendah dari baterai dan meningkatkannya menggunakan amplifier. Osilator akan menyuplai tegangan sinusoidal dengan amplitudo rendah ke input driver, yang selanjutnya akan ditingkatkan oleh driver piezo dan dikirim ke perangkat piezo.