3강

초음파.

강의개요

1. 초음파 정의

3. 초음파 수신 및 방출

초음파의 성질

초음파 흡수

초음파가 물질에 미치는 영향

의학에서의 초음파 응용.

초음파 정의

초음파(초음파로 약칭)는 기계적 진동으로, 그 주파수는

20kHz를 초과합니다. 인간의 청각 기관은 그러한 주파수를 인식하지 못합니다. 그러나 일부 동물과 새는 초음파를 인식합니다. 특히 고양이와 개는 최대 40kHz의 초음파를 듣는 것으로 확인되었습니다. 이 영역먹이를 탐지하고 잡기 위해 인지해야 하는 범위입니다. 박쥐와 돌고래 등 일부 동물은 초음파를 사용하여 우주를 탐색합니다. 짧은 초음파 펄스를 방출하고 반사를 감지합니다. 따라서 완전한 어둠 속에서도 상당한 거리에 있는 장애물을 감지할 수 있습니다. 새들도 초음파를 감지합니다. 왜냐하면 많은 곤충들이 초음파를 방출하고 새들이 이런 방식으로 초음파를 감지할 수 있기 때문입니다. 이전 강의에서 우리는 가청 범위에서 기계적 진동의 특성에 대해 알게 되었습니다. 빈도가 증가함에 따라 이러한 진동은 실제로 사용되는 특징을 나타냅니다.

직접 및 역 압전 효과

가청 범위의 사운드는 전기 진동을 기계적 진동으로 변환하는 일반적인 전기 역학 스피커로 재생할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 기계적 진동을 전기적 진동으로 변환하는 전기역학 마이크를 사용하면 가청 범위의 소리를 포착할 수 있습니다. 그러나 이러한 장치는 초음파 진동에 적합하지 않습니다. 왜냐하면 이러한 장치의 움직이는 부분은 관성이 매우 높고 초음파 주파수에서 진동할 수 없기 때문입니다. 이는 초음파를 포착하고 방출하려면 다른 것을 사용해야 함을 의미합니다. 기술 솔루션. 그러한 해결책이 존재합니다. 이는 다음과 같은 물리적 현상을 기반으로 합니다. 압전 효과. 이는 일부 단결정이 외력에 의해 변형될 때 표면에 전하를 생성하는 특성(직접 압전 효과)에 기초합니다. 또한 표면에 전압이 가해지면 변형됩니다(역압전 효과).

석영 단결정을 생각해 봅시다. 산화규소이다

(SiO). 결정 격자의 형태는 다음과 같습니다.

이 육각형이 확장되는 방향( 이 경우이것이 수직축이다), 크리스탈의 주축.이 격자에는 노드에 양이온과 음이온이 있음을 알 수 있습니다. 그러나 여기서는 균형이 유지됩니다. 양이온과 음이온의 수가 동일하므로 모든 양이온과 음이온이 서로 상쇄되고 결정 전체는 중성입니다. 상위 (계획에 따르면) 양전하는 두 개의 음전하로 보상됩니다. 하나의 양전하가 있지만 더 가깝고 두 개의 음전하가 있지만 외부 환경과 관련하여 더 멀리 떨어져 있습니다. 균형이 유지됩니다. 결정의 반대편에서도 비슷한 상황이 관찰됩니다. 따라서 전하 균형은 크리스탈에서 완전히 유지됩니다. 또한 위에서 언급한 바와 같이 결정격자의 각 원소는 쌍극자가 아니다.

이제 결정 격자의 이 요소가 주축을 따라 인장 변형을 받으면 그림에서 볼 수 있듯이 양이온은 한 방향으로 늘어나고 음이온은 다른 방향으로 늘어납니다. 격자 요소 끝의 전하는 중단되고 이 요소는 쌍극자로 변합니다. 그림에서 볼 수 있듯이 상단에는 플러스가 하단에는 마이너스가 나타납니다. 그러나 전체 결정은 많은 기본 셀로 구성되므로 주축에 수직인 결정면에 전위차가 나타납니다.

장력 압축

동일한 축을 따라 압축 변형하는 동안 유사한 그림이 관찰됩니다. 그러나 여기서 가장자리의 전압 극성은 반대가 됩니다. 그게 바로 그거야 직접 압전 효과(“피에조” – 누르기).

초음향 기술

표면에는 수많은 결정이 있으며, 그 표면이 변형되면 전하가 발생합니다. 이러한 결정을 압전소자라고 합니다. 변형 중에 발생하는 표면 전하는 표면의 여러 부분에서 서로 다른 부호를 갖습니다. 압전 장치에는 석영, 전기석, Rochelle 소금 등이 포함됩니다.

이온 결정만이 압전 특성을 가지고 있습니다. 외부 힘의 영향으로 양이온의 결정질 부격자는 음이온의 결정질 부격자와 다르게 변형됩니다. 결과적으로 양이온과 음이온의 상대적 변위가 발생하여 결정과 표면 전하의 분극이 발생합니다. 첫 번째 근사치에서 분극은 변형에 정비례하고, 결정의 변형은 힘에 정비례합니다. 따라서 분극은 가해진 힘에 정비례합니다.

그림에서. 6.1은 석영에서 직접 및 역 압전 효과의 발생을 정성적으로 설명합니다.

변형된 유전체의 반대로 대전된 면 사이에서 전위차가 발생하며 이를 측정할 수 있으며, 그 값을 통해 변형의 크기와 적용된 힘에 대한 결론을 도출할 수 있으며 이는 수많은 실제 적용이 가능합니다. 예를 들어 압전 센서는 빠르게 변화하는 압력을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 자동화 및 원격 기계 분야의 압전 마이크로폰, 압전 센서 등이 알려져 있습니다.

직접 압전 효과

압전에는 직접 압전 효과 외에 역 압전 효과도 있습니다. 이는 외부 전기장에서 압전 장치가 변형된다는 사실로 구성됩니다. 그 존재는 직접적인 효과와 에너지 보존 법칙의 존재에 따른 것입니다. 압전체가 변형되면 탄성 변형 에너지와 압전 효과로 인해 발생하는 전기장의 에너지가 생성되는 데 작업이 소비됩니다. 따라서, 압전체를 변형시킬 때에는 결정의 탄성력 외에 추가적인 힘을 극복할 필요가 있는데, 이는 변형을 방지하고 역압전 효과를 일으키는 요인이다. 추가 힘을 보상하려면 압전 효과에서 발생하는 것과 반대되는 외부 전기장을 적용해야 합니다. 따라서 외부 전기장의 영향으로 압전의 일부 변형을 얻으려면 주어진 변형에 대한 직접적인 압전 효과의 결과로 발생하는 장과 동일하지만 반대가 되어야 합니다. 역압전 효과의 메커니즘은 직접 압전 효과의 메커니즘과 유사합니다. 외부 전기장의 영향으로 양이온과 음이온의 결정 부격자가 서로 다른 방식으로 변형되어 결정이 변형됩니다.

역 압전 효과는 또한 수많은 실제 응용 분야를 가지고 있으며, 특히 석영 초음파 이미터가 널리 사용됩니다.

역압전 효과:

따라서 두께를 따라 진동하는 석영판(X-컷)의 경우 공진 주파수(기본 고조파)는 다음 공식을 사용하여 얻을 수 있습니다.

cm로 표시되는 판의 두께는 어디입니까?

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(과학적, 기술적 방향)

압전 효과: 효과적인가 아니면 효율적인가?

출연자: 이온킨 알렉산더

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머리: 셰브추크 류보프 알렉산드로브나

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“신비한 느낌이 가장 아름답습니다.

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특별하고 경이로운 물리학? 무엇이 그토록 특이하거나 놀라운 일이 될 수 있습니까? 물론 물리학자들은 물리학을 흥미진진한 과학으로 여깁니다. 하지만 그것은 물리학이 그들의 삶의 일이기 때문입니다. 새로운 아원자 입자를 발견하거나 익숙한 현상을 설명하는 새로운 방법을 찾는 것은 부담스러울 수 있습니다. 하지만 우리 주변의 일상적인 자연 현상을 관찰하고 이해하는 것에서 작지만 만족스러운 스릴이 나올 수 있습니다. 결국, 그 본질을 이해한다면 녹음, 원격 센서 및 라이터를 다루는 것이 훨씬 더 흥미로울 것입니다. 일상적인 현상을 설명하는 물리학의 성공은 정말 놀랍고 경이롭습니다.

우리는 21세기, 신기술의 세기에 살고 있습니다. 인생은 가만히 있지 않습니다. 과학, 기술, 산업, 기술이 발전하고 있으며 특정 프로세스에 대한 최신 접근 방식이 모든 곳에서 사용됩니다. 오래 전에 누군가에 의해 발견된 이미 알려진 현상은 새로운 응용, 재탄생을 찾거나 건축, 건설, 통신 등 과학 기술 관련 분야에서 사용됩니다.

압전 효과도 널리 사용됩니다. 아직 숨겨진 매장량, 발견되지 않은 영역 및 적용 영역이 많이 있는 것 같습니다.

이번 학년도에 나는 내 일을 시작했습니다. 연구 프로젝트과학적이고 기술적인 방향에서 "압전 효과: 효과적인가, 효율적인가?"

프로젝트를 진행하면서 저는 인간 활동의 다양한 영역에서 압전 효과를 사용할 수 있는 가능성을 찾는 목표를 세웠습니다.

나 자신을 위해 다음 작업을 확인했습니다.

압전 효과 현상의 발견과 연구의 역사에 대해 알아보세요.

압전 효과 이론을 고려하십시오.

압전 효과의 적용 분야에 대해 알아보세요.

직접 압전 효과와 역 압전 효과를 입증하기 위한 실험을 수행하고 직접 압전 효과 동안 발생하는 전압 값을 결정하는 방법을 제안합니다.

압전 전압 효과

압전효과의 발견과 연구의 역사

압전 효과는 1880년 피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제가 발견했습니다. 그들은 일부 유전체(로셸 염, 석영 등)의 결정이 기계적 작용 및 압축을 받으면 표면에 반대 부호의 전하가 나타나거나 현재 말하는 것처럼 유도 분극이 결정에 나타나는 것을 발견했습니다. , 이는 결정 내부에 외부 및 전기장을 생성합니다. 압력의 결과로 전기장이 나타나는 현상을 직접 압전 효과라고 합니다.

이 발견은 우연이었습니까, 아니면 과학적 가설이 선행되었습니까? 결정 구조를 지닌 고체 유전체의 전기적 특성을 연구할 때 피에르 퀴리는 다음과 같은 공식을 만들었습니다. 일반 원칙, 현재는 퀴리의 원리라고 불립니다. 그 의미는 다음과 같습니다. 현상은 현상을 일으킨 원인이 가지고 있는 모든 대칭 징후를 가지고 있습니다. 현상의 비대칭성은 원인의 비대칭성에 의해 미리 결정됩니다. 반대 부호의 이온이 결정 격자의 꼭지점에 위치하므로 모든 모양의 결정의 총 전하는 0입니다. 그러나 양전하와 음전하의 중심이 일치하지 않으면 결정의 쌍극자 모멘트는 0이 아니고 분극을 갖게 됩니다. 따라서 변형되지 않은 상태의 결정의 쌍극자 모멘트가 0이면 기계적 작용에 따른 결정의 변형으로 인해 양이온과 음이온의 중심이 다른 이온에 대해 이동할 수 있으며 반대 부호의 전하가 나타납니다. 크리스탈의 표면. 이러한 변위 가능성은 결정의 대칭성(모양)에 따라 달라집니다.

공식화된 원리와 그룹 이론을 통해 압전 효과를 갖는 결정의 종류를 식별하는 것이 가능해졌습니다. 역압전 효과는 직접적인 압전 효과를 갖는 자유 결정이 전기장의 영향으로 변형되는 것입니다. 곧 퀴리 형제는 역압전 효과를 실험적으로 확인했습니다.

전하량과 로셸염 결정에 대한 압력 사이의 관계를 확립하는 최초의 정량적 측정은 1894년 포켈스(Pockels)에 의해 수행되었습니다.

이러한 양적 관계는 1910년 독일 과학자 보이트(Voigt)에 의해 수학적 형태로 표현되었습니다. 1928년에 그는 충분히 가져왔습니다. 완전한 시스템이는 이전 기간 동안 압전 분야에서 축적된 지식을 요약한 것입니다. Voigt가 얻은 관계는 구성의 기본입니다. 수학적 모델전기탄성에서.

압전 효과는 모니터링 및 제어 시스템의 수많은 압전 센서에서 녹음 및 생산에 즉시 널리 사용됩니다.

20세기 중반부터 압전 요소가 레이더 시스템에 사용되기 시작했습니다. 천연 석영으로 만든 특수 공진기와 필터는 대상에서 반사된 전파를 넓은 스펙트럼에서 분리하고 증폭했습니다. 이 장치에서는 역 압전 효과의 원리가 이미 작동했습니다. 압전 장치에 전류가 가해지면 수정이 변형되고 진동이 발생하여 주파수 필터에 의해 전달되는 파동과 공진됩니다. 제2차 세계 대전 중 영국이 석영 압전 장치를 기반으로 개발한 대공 방어 시스템은 멀리 접근하는 독일 항공기를 탐지하여 적군이 기습할 수 있는 이점을 박탈했습니다. 독일 공군으로 영국을 격파하려는 괴링의 계획이 실패한 것은 주로 이 때문이었습니다.

50년대와 60년대 항공기 및 로켓 과학의 발전으로 인해 탑재 및 지상 기반 항법 및 레이더 시스템을 위한 보다 정확한 장비의 대량 생산이 필요했습니다. (구조적 결함 없이) 적합한 천연 석영은 거의 채굴되지 않았습니다. 실제 압전 기술 붐은 인공 석영 결정을 성장시키는 방법을 배운 50년대 중반에 시작되었습니다. 이것은 소련 과학 아카데미(IKAN)의 Shubnikov 결정학 연구소 직원인 Alexander Shtenberg에 의해 처음 달성되었습니다.

Langasite - 유망한 압전 재료

1983년에 모스크바 주립대학교 물리학과와 결정학 연구소의 소련 과학자 그룹이 최초의 랑가사이트 결정(란타늄 갈륨 규산염 - La 3 Ga 5 SiO 14)을 성장시켰습니다. 처음에는 방사 주파수가 가변적인 고체 레이저의 능동 소자로 사용할 계획이었지만 재료의 일부 매개변수는 비선형 광학 전문가에게 적합하지 않았습니다. 그러나 그 압전 특성은 매우 유망한 것으로 밝혀져 발견 후 이미 2년이 지난 당시 상상할 수 없었던 시기에 포돌스크 실험 화학 공장의 여러 성장 장치에서 랭가사이트 결정 생산이 시작되었습니다(큐레이터는 과학부서의 전문가였습니다). MISiS 및 IKAN의 결정학). 동시에 수도의 Piezo 기업에서 최근 분사된 압전 기술 개발을 위한 선도적인 연구소인 Fonon은 미사일 유도 헤드용 Langasite 장치를 개발하는 임무를 받았습니다.

랑가사이트에 대한 관심은 석영에 비해 투과대역이 더 넓다는 점과 동시에 탄탈레이트나 니오브산리튬과 달리 온도 안정성을 갖고 있다는 점에서 비롯됐다. 대역폭은 주파에 수반되는 주파수 스펙트럼이 특징이며 중간 주파수 증폭기에서 유용한 신호의 대역폭이 넓을수록 송신 및 수신 무선 장비가 처리할 수 있는 디지털 정보의 양이 많아지고 그에 따라 더 정확한 정보를 제공할 수 있습니다. 빠르게 날아가는 표적의 좌표. 예를 들어 셀룰러 통신과 관련하여 소형 광대역 필터의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 따라서 현재 널리 보급된 GSM 표준(음성 및 고정 사진 전송)의 전화기 작동에는 200kHz의 대역폭만 필요하며, W-CDMA의 경우 차세대 세계 표준이 될 것으로 예상됩니다. 실시간으로 비디오 이미지를 전송할 수 있으므로 필요한 대역폭은 이미 5MHz 이상입니다. 즉, 기본파 주파수 2GHz에서 필터 대역폭은 0.3%보다 높아야 합니다. 석영의 경우 기본파의 주파수에 따라 전송 폭은 0.1-0.3%이고, langasite의 경우 0.3-1%입니다.

현재까지 러시아는 프랑스 Temex Microsonics와 계약을 체결했습니다. 그들의 공동 프로젝트유럽 ​​혁신 프로그램 유레카(Eureka)의 일환으로 3년간 약 300만 유로가 투자될 예정입니다. 200만 개 이상이 프랑스 측, 주로 프랑스 정부에서 제공되고, 20만 개 이상이 Bortnik 재단에서 할당되며, 자체 자금 중 약 70만 개가 Fomos에서 투자됩니다. 결과적으로 러시아 회사는 새로운 압전(그리스 압전에서 유래) 소재인 langasite를 사용하여 유럽 시장에 진출할 예정이며 Temex Microsonics는 이를 사용하여 점점 더 널리 보급되는 차세대 모바일 시스템용 필터 대량 생산을 조직할 것입니다. W-CDMA 표준).

압전 효과의 물리적 이론

유전체(그리스어. 디아- 영어로, 통해, 통해. 전자- 전기) 전도성이 없는 물질입니다. 전기. 그 이유는 유전체에 자유 전하가 부족하기 때문입니다. 분자와 유전체 원자의 양전하와 음전하는 쿨롱 힘에 의해 서로 연결됩니다. 우월한 세력, 외부 전기장이 이러한 전하에 영향을 미칠 수 있습니다. 서로 떼어낼 수는 없지만 분자 자체 크기(10-10m) 정도의 거리만큼만 이동할 수 있습니다. 따라서 유전체 분자의 양전하와 음전하가 묶여 있습니다. 외부 전기장에 유입된 유전체를 따라 자유롭게 이동할 수 없습니다.

물질 분자의 경우, 분자의 전자 껍질의 총 전하가 분자 전체에 분포된 경우 이 분자의 모든 음전하와 동일한 효과를 양전하에 미치는 지점을 나타낼 수 있습니다. 용량.

이 지점을 분자의 음전하의 무게 중심이라고 합니다. 같은 방법으로 양전하의 무게 중심을 나타낼 수 있습니다. 분자의 총 양전하가 분자의 모든 양전하와 동일한 영향을 음전하에 미치는 지점입니다.

외부 전기장이 없을 때 양전하와 음전하의 무게 중심이 결합된 분자의 유전체를 비극성 유전체라고 합니다. 이러한 유전체의 예로는 수소, 질소, 산소와 같은 가스가 있습니다. 양전하와 음전하의 무게 중심이 공간적으로 분리되어 있고 외부 전기장이 없는 분자의 유전체를 극성이라고 합니다. 극성 분자의 예로는 얼음 분자가 있습니다.

전기장의 영향으로 유전체의 분자와 원자의 전하가 반대 방향으로 변위되어 유전체 표면에 보상되지 않은 결합 전하가 나타나는 것을 유전체의 분극이라고 합니다.

균질 및 동위원소 고체 비정질 유전체와 액체 및 기체 유전체에서 외부 전기장이 없으면 개별 분자의 쌍극자 모멘트의 잘못된 방향으로 인해 분극이 항상 없습니다. 이러한 분극화된 유전체가 외부 전기장에서 제거되면 항상 분자에 내재된 열 혼란 운동이 표면의 결합 전하를 빠르게 제거하고 유전체의 각 단위 부피의 총 쌍극자 모멘트는 0이 됩니다. 즉, 양극화가 사라질 것입니다.

그러나 자연에는 외부 전기장이 없어도 자발적인 분극을 갖는 분자 그룹을 형성하는 결정질 유전체가 있습니다. 이들 그룹은 극성 분자로만 형성될 수 있다는 것이 분명합니다. 이러한 분자 그룹을 도메인이라고 합니다. 도메인을 구성하는 분자의 거동은 양자역학의 법칙으로 설명됩니다.

도메인 구조를 갖는 유전체를 강유전체라고 합니다. 이 이름은 가장 일반적인 강유전체인 "Rochelle salt"라는 단어에서 유래되었으며, 이 물질을 처음 합성한 프랑스 약사 E. Segnette의 이름을 따서 명명되었습니다.

모든 강유전체는 결정체입니다.

비극성 강유전체의 결정이 외부 전기장에 배치되고 이 전기장의 강도가 증가하면 도메인은 전기장을 따라 점점 더 방향이 바뀌기 시작하며 이는 분자의 열적 방향 전환으로 인해 방지됩니다.

그림 1 외부 장의 강유전체

어느 정도 충분히 높은 강도에 도달하면 결정의 모든 도메인이 필드를 따라 방향이 지정됩니다. 유전체의 이러한 상태를 포화라고 하며, 해당 전압을 포화 전압이라고 합니다.

전기장에서 유전체를 제거하면 분극이 유지됩니다.

외부 전기장이 없어도 분극을 유지하는 능력은 강유전체를 다른 유전체와 구별하는 가장 중요한 특징입니다.

강유전체를 탈분극하려면 원래 강유전체의 전기장과 반대되는 전기장에 놓아야 합니다.

현재 수백 개의 강유전체가 알려져 있습니다. 다른 유전체와 구별되는 두 번째 중요한 특징은 비유전율의 매우 높은 값으로 개별 강유전체의 경우 수천에 도달하는 반면, 다른 유전체의 경우 10 이내에서 변동하고 물의 경우에만 81에 도달합니다. 강유전체의 세 번째 특징은 외부 전기장의 강도에 대한 비유전율의 의존성인 반면, 다른 유전체의 경우에는 일정합니다.

모든 강유전체는 특정 온도 범위에서만 이러한 놀라운 특성을 갖습니다. 예를 들어, Rochelle 염은 -15 0 C에서 22.5 0 C 사이의 온도 범위에서만 도메인 구조를 갖습니다. 다른 온도에서는 일반 유전체처럼 동작합니다. 예를 들어, 석영에서는 섭씨 200도까지 압전 특성이 약간 변한 다음 섭씨 576도까지 천천히 약해지기 시작합니다. 576도에서는 수정 격자의 구조 조정이 발생하여 그 결과 압전 특성이 사라집니다. 온도가 낮아지면 석영의 성질은 반대 방향으로 변합니다.

유전체가 강유전체로 변하는 이러한 전이 온도를 퀴리점이라고 하며, 이 현상을 발견한 피에르 퀴리와 졸리오 퀴리 형제의 이름을 따서 명명되었습니다.

대부분의 유전체의 경우 분극은 외부 전기장의 영향으로 발생하고 압전의 경우 압축이나 인장과 같은 기계적 작용의 결과로 발생합니다.

세로 및 가로 압전 효과가 있습니다.

극축을 따라 결정이 균일하게 변형되는 동안 극축에 수직인 면에 전하가 나타나는 것을 세로 압전 효과라고 합니다. 그러나 결정이 극축을 따라 늘어나거나 압축되는 한, 극축에 수직인 결정을 압축하거나 늘려 동일한 면에 전하가 나타나도록 하는 것이 가능합니다. 이 현상을 횡압전효과라고 합니다. 그 존재는 세로 변형과 가로 변형 사이의 연결에 의해 결정됩니다. 단단한.

그림 2 세로(a) 및 가로(b) 압전 효과

압전은 모두 강유전체일 뿐만 아니라 석영 및 일부 유형의 세라믹과 같은 기타 유전체도 포함합니다.

이온 결정만이 압전 특성을 가질 수 있습니다. 압전 효과는 외부 힘의 영향으로 양이온의 결정 부격자가 음이온의 결정 부격자와 다르게 변형될 때 발생합니다. 결과적으로 양이온과 음이온의 상대적 변위가 발생하여 결정과 표면 전하의 분극이 발생합니다. 첫 번째 근사치에서 분극은 변형에 정비례하고, 이는 다시 힘에 정비례합니다. 따라서 분극은 가해진 힘에 정비례합니다. 변형된 유전체의 반대 전하 면 사이에 전위차가 발생하며, 이를 측정할 수 있으며, 그 값을 기준으로 변형의 크기와 적용된 힘에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.

고체 유전체의 분극에 대한 물리적 그림은 양자역학에 의해 밝혀집니다. 나는 형식적인 양극화 이론만을 고려할 것이다.

압전 소자는 양이온과 음이온의 격자를 갖는 결정으로, 특정 방향으로 변형되면 변형력 방향에 수직인 면에 표면 결합 전하가 나타납니다.

그림 3 석영 격자

이러한 면에 금속판이 제공되면 경계면과 동일한 부호의 유도 자유 전하가 외부 표면에 나타납니다. 플레이트 사이에는 잠재적인 차이가 있습니다.

고전적이고 실질적으로 중요한 압전 장치는 석영(SiO2)입니다. 결정 격자의 단위 셀에는 실리콘 이온(양성)과 산소(음성)로 구성된 세 개의 분자가 포함되어 있습니다. 이는 그림 3에 개략적으로 표시되어 있습니다. ㅏ(변형되지 않은 결정): 양이온은 음영 처리된 원, 음이온은 흰색입니다.

결정이 X1 방향으로 압축되면 셀의 대칭이 깨집니다(그림 3b). 결정의 윗면에는 결합된 음전하가 나타나고, 아랫면에는 동일한 양전하가 나타납니다. 늘어나면(그림 3, c) 전하의 부호가 반대 방향으로 변경됩니다.

작은 상대 변형에서 발생하는 표면 전하 밀도는 결정에서 발생하는 기계적 응력에 비례합니다.

이러한 의존성을 직접 압전 효과의 방정식이라고 합니다.

비례 계수 - 압전 계수 디- 뉴턴당 쿨롱(Cl N -1)으로 표시됩니다. 석영용

디=2 10 -12 C/N.

역 압전 효과를 생각해 봅시다. 결정에 전압이 가해지면 변형되고, 변형의 부호는 외부 정전기장의 방향에 따라 달라집니다.

그림 4 직접(a, b) 및 역(c, d) 압전 효과의 도식 이미지. 화살표 F와 E는 외부 영향, 즉 기계적 힘과 전기장 강도를 나타냅니다. 점선은 외부 영향 전 압전의 윤곽을 보여주고, 실선은 압전 변형의 윤곽을 보여줍니다(명확성을 위해 여러 번 확대됨). P - 편광 벡터

결정에 기계적 응력 =10 4 Pa가 생성되도록 합니다. 이 경우 결과 전하의 밀도는 다음과 같습니다.

2 10 -8C/m 2

결정(=4.5)에서는 정전기장이 다음과 같은 강도로 형성됩니다.

크리스탈 두께 시간=10 -2 m 면판에서 5V의 전위차가 얻어집니다.

교류 전압이 압전 장치에 가해지면 강제 기계적 진동이 발생합니다. 공진 시(그리고 판은 결정의 두께에 반비례하는 고유 진동수를 가짐) 진동의 진폭이 급격하게 증가합니다. 음향 저항이 결정의 음향 저항과 크게 다르지 않은 액체에 결정을 담그면 액체에서 강한 기계적 파동이 여기됩니다. 일반적으로 액체의 파장이 짧은 초음파 주파수가 사용됩니다. 이를 통해 눈에 띄는 흡수 없이 전파되는 파동을 얻을 수 있으며 이는 실질적인 관심을 끌고 있습니다.

초음파는 고체(예: 금속 주조)에서 생성될 수 있으며, 여기서 파동은 눈에 띄는 흡수 없이 전파됩니다. 그러나 주조물을 제조하는 동안 우연히 금속에 구멍이 생기면 파동이 그 위에서 소멸됩니다. 따라서 초음파로 금속을 탐침하면 금속을 파괴하지 않고 내부 결함을 찾아내는 것이 가능합니다.

초음파로 인한 가속도는 진폭 x m = 10 -6 m 및 주파수 = 10 5Hz로 매우 크기 때문에 가속도 진폭은 다음과 같습니다.

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

초음파는 금속 몸체의 표면을 청소하고(액체에 담근 상태) 에멀젼(한 액체의 물방울이 다른 액체에 용해되지 않는 현탁액)을 만드는 데 사용되며 기타 여러 가지 실용적인 응용 분야에 사용됩니다.

압전 효과에 의해 생성된 고전압 값을 측정하는 방법은 무엇입니까?

피에조 요소는 피에조 라이터의 주요 부분입니다. 그래서 저는 피에조 라이터를 사용하여 모든 실험을 수행했습니다. 편리한 사용을 위해 플라스틱 케이스에서 단자 2개를 제거했습니다.

직접 압전 효과를 시연할 때 출력 전압을 결정하기 위해 라이터의 한 단자를 데모 전위계 본체에 연결하고 다른 단자를 전위계 막대에 연결했습니다. 라이터 버튼을 부드럽게 누르면 전위계 바늘이 벗어나기 시작합니다. 그러나 장치의 화살표가 눈금을 넘어서기 때문에 전위계를 사용하여 최대 전압 값을 결정할 수 없었습니다(전위계 눈금 분할 값은 약 300V라는 것을 알고 있습니다).

결과적인 전압이 어느 한계 내에 있는지 결정하려고 노력할 것입니다. 이를 위해 형광등을 이용한 실험을 진행하겠습니다. 램프 회로에서 스타터를 제거하고 네트워크에 연결된 램프를 켜보겠습니다. 램프가 켜지지 않습니다. 램프에서 독립 방전이 관찰되기 위해서는 약 10킬로볼트의 전위차가 필요합니다. 스타터 대신 켜진 라이터의 압전 소자를 사용하여 이러한 조건을 만들어 보겠습니다. 피에조 라이터의 리드 중 하나를 램프의 전극 중 하나에 연결하고 다른 하나는 램프의 유리 표면에 감겨진 와이어에 연결합니다. 피에조 라이터 버튼을 누르면 램프가 켜집니다.

더 가벼운 출력에서 ​​전압을 더 정확하게 결정하기 위해 데모 스케일을 사용했습니다. 나는 저울 중 하나의 바닥에 사각형의 금속 호일을 붙이고 매우 얇은 와이어를 사용하여 라이터의 한 접점에 연결했습니다. 그런 다음 금속화된 컵을 뒤집어 체중계 위에 올려 놓았습니다. 이 컵 위에 또 다른 정사각형 호일을 놓고(저울 디자인을 사용했습니다) 이를 라이터의 두 번째 접점에 연결했습니다. 두 개의 금속 호일 플레이트가 평행 플레이트 커패시터를 형성합니다. 추를 사용하여 저울의 균형을 맞췄습니다.

라이터 버튼을 가볍게 누르면 플레이트 사이에 정전기 인력이 발생하여 저울의 균형이 깨지게 됩니다. 저울 바늘의 휘어짐을 기준으로 균형을 회복하는 데 필요한 추의 질량을 결정합니다. 이렇게 하면 판 사이의 최대 힘을 ​​측정하고 전압을 계산할 수 있습니다. 나는 S = 1.21 10 -2 m 2 면적의 판을 사용하고 그 사이의 거리를 2 10 -2 m로 설정하고 실험의 평균값은 질량 m = 7 10 -을 사용하는 3 가지 실험을 수행했습니다. 4kg.

그것을 아는 것은

전압을 계산하기 위해 얻은 공식 1을 사용하여 다음과 같은 결과를 얻었습니다.

압전 라이터의 출력 전압을 측정하는 실험을 할 때 역압전 효과도 관찰했습니다. 그래서 합선으로 축전기판을 방전시킬 때 축전기가 방전될 때 압전소자의 변형으로 인해 딸깍하는 소리가 들렸습니다.

압전 효과의 응용

압전 효과의 주요 응용 분야: - 기계적 진동과 전기적 진동의 상호 변환 - 압전 장치는 가역적 전기 기계 변환기이기 때문에 주파수 센서, 센서 및 초음파 진동 소스, 사운드 픽업, 압력 게이지 등, 즉 기계적 변환이 가능합니다. 에너지를 전기 에너지로, 그 반대로 전기 에너지를 기계 에너지로. 직접 압전 효과를 사용하는 변환기를 변환기 생성기라고 합니다. 기계적 입력과 전기 출력이 있습니다.

역 압전 효과를 사용하는 변환기를 모터 변환기라고 합니다. 전기 입력과 기계 출력이 있습니다. 직접 효과와 역효과를 모두 사용하는 압전 장치가 많이 알려져 있습니다. 직접 효과는 예를 들어 마이크, 사운드 픽업, 기계적 힘, 변위 및 가속 센서, 가정용 가스 라이터 등에 사용됩니다. 역효과는 전화기, 확성기, 초음파 방출기, 계전기, 모터 생성의 기초가 되었습니다. , 등.

압전 변환기(압전 변환기(piezotransformer)로 약칭됨)는 알려져 있으며 실제 적용이 가능합니다. 압전변압기의 장치는 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며, 전기적 입력과 출력만이 있는 4단자 네트워크 형태의 압전변환기임을 설명하고 있다.

그림 5 압전 변압기

압전 변압기의 작동은 직접 및 역 압전 효과의 사용을 기반으로 합니다. 역압전효과에 의해 압전변압기의 입력전극에 전압이 인가되면 압전체 전체의 변형이 일어나고, 직접압전효과에 의해 출력전극에 전기(2차)전압이 나타난다 효과. 압전 변압기에서는 전기 에너지가 기계 에너지로, 기계 에너지가 전기 에너지로 이중 변환됩니다. 전자기 변압기와 마찬가지로 압전 변압기는 전압을 변환하는 데 사용됩니다. 전극의 크기와 위치를 선택하면 다양한 변환 비율 값을 얻을 수 있습니다. 압전 변압기는 일반적으로 변환 비율의 큰 값(수백 정도)이 달성되는 공진 모드에서 사용됩니다. 압전 변압기는 고전압 보조 전원 공급 장치에 사용됩니다.

압전 소자는 특정 크기, 기하학적 모양 및 주 결정학적 축(또는 압전 세라믹의 경우 분극 방향)에 대한 방향을 갖는 압전으로 만들어진 몸체로 전도성 판(전극)이 있습니다.

그림 6 압전 소자: 1 - 압전판, 2 - 전도성 재료로 만들어진 전극, 판 가장자리에 적용됨

압전 소자는 고체(결정질 또는 세라믹) 유전체를 갖춘 전기 커패시터입니다. 이러한 커패시터의 특별한 특징은 전극 사이의 공간을 채우는 유전체에 압전 특성이 존재한다는 것입니다. 압전 소자가 전기 기계 변환기로 사용되는 경우 최대 효과를 달성하기 위한 요구 사항에 따라 방향이 선택됩니다. 압전 소자에 작용하는 외부 힘(기계적 및 전기적 힘)은 분산되거나 집중될 수 있습니다. 분산된 힘은 보다 효율적인 변환을 가능하게 합니다. 따라서 압전소자의 부피를 보다 효과적으로 분극시키기 위해 압전소자의 면 전체를 덮는 전극을 사용하고, 균일하게 분포된 기계적 응력을 발생시키기 위해 잘 맞는 탄성재질의 패드를 사용한다. 압전소자의 면을 변형시키고 외부의 집중된 힘을 분산된 힘으로 변환합니다.

외력은 압전 요소의 변형, 분극 및 전극에 반대 전하의 출현을 유발합니다. 전하량이나 결과적인 전압은 압전 소자의 전극에 연결된 적절한 측정 장치로 측정할 수 있습니다. 외부 힘은 탄성 변형의 형태로 압전소자에 에너지를 전달하는데, 이는 작용력의 크기와 압전소자의 강성을 알면 계산할 수 있습니다. 압전소자의 변형과 동시에 전극에 전압이 발생합니다. 결과적으로, 외력에 의해 압전소자에 전달된 에너지의 일부는 전기적임이 밝혀지며, 전극의 전압과 압전소자의 정전용량을 알면 그 값을 계산할 수 있습니다.

오늘 그들은 압전세라믹 재료의 유망한 사용에 대해 이야기합니다. 압전 재료는 압전 단결정과 압전 세라믹의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다.

천연 압전 재료는 상당히 비쌉니다. 이와 관련하여 빠르게 발전하는 전자 제품의 요구 사항은 현재 특수 시설에서 성장하는 합성 압전 단결정에 의해 충족됩니다. 충분히 높은 반복성을 갖는 결정의 압전 특성은 구성 성분의 조성에 따라 설정될 수 있습니다.

성장한 결정은 특정한 방식으로 판으로 절단되고, 일부(강유전체)는 분극화되며, 분쇄 및 전극 적용을 통해 압전 소자가 만들어집니다.

물리적 특성에 따르면 압전 세라믹은 다결정 강유전체이며, 이는 입자(결정체)의 화합물 또는 고용체(분말)입니다.

화학적 조성으로는 2가 납이나 바륨 이온뿐만 아니라 4가 티타늄이나 지르코늄 이온도 포함하는 복합 산화물입니다. 출발 물질의 기본 비율을 변경하고 첨가제를 도입함으로써 특정 전기물리적 및 압전 특성을 갖는 다양한 구성의 압전세라믹이 합성됩니다.

가장 널리 사용되는 압전 세라믹 재료 그룹은 PZT(납 지르콘 티탄산염) 유형입니다. 동시에 티탄산바륨(TB)과 티탄산납(TC)을 기반으로 한 세라믹이 사용됩니다. 최근에는 더 비싼 압전 결정 대신 사용할 수 있는 특성을 지닌 새로운 압전세라믹 재료가 개발되었습니다. 특히, 니오브산 납을 기반으로 한 물질군이 개발되어 생산되고 있으며, 이는 최대 30MHz 이상의 주파수 범위에서 사용할 가능성이 있어 이미 실용화되고 있습니다. 다층 세라믹뿐만 아니라 압전세라믹 복합재료의 생성에 대한 중요한 연구가 진행되고 있습니다. 외국 제조사에서는 압전 특성에 따라 강유전성 하드와 강유전성 소프트로 구분합니다. 국내에서는 중간 강유전성 경도의 세라믹으로 추가적으로 구분되며 안정성이 높고 고온 등의 재료도 구별됩니다.

압전 결정과 달리 압전세라믹 요소는 반건식 프레싱, 슬립 캐스팅, 열간 사출 성형, 압출 또는 등방성 프레싱을 통해 제조된 후 1000~1400°C의 온도에서 공기 중에서 소성됩니다. 다공성을 줄이기 위해 소성이 가능합니다. 산소 환경에서 수행되거나, 열간 주조 방법을 사용하여 요소가 제조됩니다. 특수 기술을 사용하여 공작물 표면에 전극을 적용합니다.

그런 다음 세라믹을 소위 퀴리점(Curie point) 아래 온도의 강한 전기장에 배치하여 선택한 분극 방향으로 압전성을 갖게 됩니다. 분극화는 일반적으로 압전세라믹 요소 제조의 최종 공정이지만 열 안정화 및 매개변수 제어가 뒤따릅니다.

압전 세라믹은 단단하고 화학적으로 불활성인 재료로 습도 및 기타 대기 영향에 전혀 영향을 받지 않습니다. 기계적 성질은 세라믹 절연체와 유사합니다.

그림 7 다양한 구성의 압전소자

목적에 따라 압전 요소는 평면에서 3차원(구, 반구 등)까지 다양한 구성을 가질 수 있습니다.

압전 소자는 전기 기계 변환기로 사용될 때 이상적입니다. 이는 압전세라믹 부품, 어셈블리 및 장치 제조에 널리 사용됩니다. 일부 압전세라믹 요소는 이미 초기에 구성 요소 또는 어셈블리의 기능을 수행할 수 있으므로 추가 수정이 필요하지 않습니다. 압전세라믹을 기반으로 제작된 모든 제품은 발전기, 센서, 액추에이터(피에조 액추에이터), 변환기 및 결합 시스템 등 주요 그룹으로 나뉩니다.

압전세라믹 발전기는 직접적인 압전 효과를 사용하여 기계적 작용을 전위로 변환합니다. 그 예로는 다양한 유형의 라이터 및 점화 시스템에 사용되는 푸시형 및 충격형 스파크 점화기뿐만 아니라 현대 전자 회로에 사용되는 다층 압전세라믹을 기반으로 하는 전고체 배터리가 포함됩니다.

그림 8 압전 센서

압전세라믹 센서는 기계적 힘이나 움직임을 비례적인 전기 신호로 변환합니다. 즉, 직접적인 압전 효과를 기반으로 합니다.

컴퓨터 기술이 활발히 도입되는 상황에서 센서는 기계 시스템과 전자 모니터링 및 제어 시스템을 조화시키는 데 없어서는 안 될 장치입니다.

압전 세라믹 센서에는 축형(기계적 힘이 편광 축을 따라 작용함)과 유연성(힘이 편광 축에 수직으로 작용함)의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

축형 센서에서는 디스크, 링, 실린더 및 플레이트가 압전소자로 사용됩니다. 예로는 가속도 센서(가속도계), 압력 센서, 노크 센서, 파괴 센서 등이 있습니다. 유연한 센서의 예로는 힘 및 가속도 센서가 있습니다.

압전세라믹 액츄에이터(피에조 액츄에이터)는 역압전 효과 원리를 기반으로 제작되었으므로 전기량(전압 또는 전하)을 작동 유체의 기계적 움직임(전단)으로 변환하도록 설계되었습니다. 액추에이터는 축형, 가로형, 유연성의 세 가지 주요 그룹으로 나뉩니다. 축형 및 횡형 액추에이터는 여러 압전 요소(디스크, 로드, 플레이트 또는 바)에서 스택으로 조립되기 때문에 다층 스택이라는 일반적인 이름을 갖습니다. 1kV의 제어 전압에서 최대 10kN의 상당한 힘(차단력)을 개발할 수 있지만 작동 부품의 편차는 매우 작습니다(수 나노미터에서 수백 미크론까지). 이러한 액추에이터를 강력한 액추에이터라고도 합니다.

유연한 액추에이터(바이모프)는 작동 부품의 작은(수백 미크론) 편차에서 미미한 차단력을 발생시킵니다. 그러나 미국 회사인 APC International Inc. 새로운 유형의 플레이트 바이모프인 "리본 액츄에이터"(등록 상표)를 개발하여 시장에 진출했습니다. 벨트 액추에이터는 0.95N의 차단력과 1.2mm의 편향량 또는 최대 3mm의 편향과 0.6N의 차단력을 제공할 수 있습니다.

유연한 액추에이터는 저전력 그룹에 속합니다. 이 그룹에는 다층 압전세라믹 기술을 사용하여 만든 모노블록인 유망한 축형 액추에이터도 포함됩니다.

패키지 액추에이터는 압전세라믹 생산과 관련이 없는 기업에서 생산할 수 있습니다. 다층 세라믹으로 만들어진 유연한 축형 액추에이터는 그 자체가 압전세라믹 요소입니다. 압전세라믹 요소 생산을 위한 기술과 장비를 보유한 기업에서만 생산할 수 있습니다.

압전세라믹 변환기는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하도록 설계되었습니다. 액추에이터와 마찬가지로 역압전 효과의 원리를 기반으로 합니다.

주파수 범위에 따라 변환기는 세 가지 유형으로 구분됩니다.

소리(20kHz 미만) - 부저, 전화 마이크, 고주파 스피커, 사이렌 등

초음파 - 용접 및 절단, 재료 세척 및 청소, 액체 레벨 센서, 분산 분무기, 안개 발생기, 흡입기, 가습기용 고강도 방출기. 중요한 그룹에는 압전세라믹 부품인 소위 공기 중 초음파 거리 측정기가 포함됩니다. 자동차의 거리 측정기, 보안 시스템의 존재 및 동작 센서, 레벨 게이지, 원격 모니터링 및 제어, 새, 동물 및 농업 해충 퇴치 장치 등으로 사용됩니다. 세 가지 유형의 장치가 생산됩니다: 전송, 수신 및 송수신기;

고주파 초음파 - 재료 테스트 및 비파괴 테스트, 의학 및 산업 진단, 지연 라인 등을 위한 장비

결합된 압전세라믹 시스템은 역방향 및 직접 압전 효과를 순차적으로 사용하여 전기량을 전기량으로 변환합니다. 이러한 시스템의 예로는 측심기, 유량계, 압전 변압기 및 "키 파인더"가 있습니다.

압전효과는 19세기에 발견되었고, 20세기 후반부터 압전세라믹 재료를 만드는 이론과 기술이 활발히 발전했음에도 불구하고, 압전세라믹은 21세기 유망소재 중 하나로 여겨진다. 세기. 이러한 견해의 이유는 압전세라믹 고유의 놀라운 특성이 과학, 공학 및 기술에 의해 아직 완전히 요구되지 않기 때문입니다.

압전세라믹이 다양한 분야에서 활발히 활용되기 시작한 것은 20세기 60~70년대부터다. 압전세라믹 센서와 압전세라믹 변환기의 특성은 꽤 잘 연구되고 사용되었습니다. 현재 압전세라믹은 의학, 항공 및 철도 운송, 에너지, 석유 및 가스 단지의 초음파 진단에 널리 사용됩니다. 파워 압전 세라믹 - 초음파 용접, 표면 청소, 코팅, 드릴링 등에 사용됩니다.

동시에, 압전세라믹은 발전기, 액추에이터 및 결합 시스템을 만드는 데 아직 충분히 사용되지 않습니다. 그러나 에너지 절약, 소형화, 컴퓨터 제어 및 모니터링 시스템에 대한 적응성에 대한 현대적인 요구 사항으로 인해 기계 및 장비 제조업체는 압전세라믹을 사용하는 특정 기술 솔루션을 공동으로 검색하기 위해 압전세라믹 제조업체로 눈을 돌리게 되고 있습니다. 결과적으로, 새로운 유형의 압전세라믹이 나타나고, 새로운 유형이 생성되며, 알려진 압전세라믹 요소와 구성요소가 개선됩니다. 현재 압전세라믹 변압기와 액추에이터에 특별한 관심이 집중되고 있습니다.

압전 변압기의 현재 소비량은 그다지 크지 않지만 그럼에도 불구하고 향후 사용 가능성은 엄청납니다.

유망한 분야 중 하나는 가정용 및 산업용 가스 충전 조명 장치에서 공진형 DC-AC 변환기로 사용되는 것입니다. 요즘에는 이러한 목적으로 다양한 구성 요소가 사용됩니다. 미래의 조명 장치는 이미 현재 사용되는 장치에 비해 최대 80%의 전력을 절약할 수 있는 원리를 기반으로 합니다. 따라서 유망한 변환기가 충족해야 하는 유일한 매개변수는 최소 기하학적 치수입니다. 시장 조사에 따르면 조명 기술 개발자들은 조명 기술에 그다지 관심이 없는 것으로 나타났습니다. 비교 특성변환기의 전압 또는 전력 소비 측면에서 램프 베이스에 설치할 수 있는 크기는 몇 개입니까? 최근 연구에 따르면 새로운 조명 기술에 다층 압전세라믹 변압기를 사용할 수 있는 가능성이 밝혀졌습니다. 가격을 제외한 거의 모든 요구 사항을 충족하는 이러한 변환기의 프로토타입이 개발되었습니다. 따라서 압전세라믹 제조업체들은 비용을 절감할 수 있는 기술을 적극적으로 연구하고 있습니다.

압전 변압기를 사용하는 또 다른 유망한 분야는 전력 장치에서의 사용입니다. 기존의 단일 레이어(로젠 유형) 압전 변압기 대신 다층 변압기를 사용하는 최신 장치가 시장에 등장했습니다. 이에 대한 예로는 액정 디스플레이 백라이트 및 냉음극 형광 조명 시스템 구동이 있습니다. 기존 압전 변압기에 비해 다층 압전 변압기의 장점은 작은 크기(특히 두께)와 낮은 에너지 소비를 포함합니다. 그러나 시장에 출시된 최신 다층 변압기의 경우 결정 요인은 여전히 ​​가격과 크기이며 제조업체는 이를 줄이기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.

고급 TV 및 컴퓨터 디스플레이에 압전 변압기를 사용할 가능성이 높습니다. FED(Field Emission Display)(FED - Field Emission Display)라고 불리는 이러한 디스플레이의 프로토타입이 이미 개발되었습니다. 현대 디스플레이보다 해상도와 이미지 선명도가 더 높은 평면 패널 디스플레이입니다. 그러나 깜박임 없는 이미지(Flicker Free Image Screen)를 갖춘 차세대 스크린이 이미 개발되고 있으며, 이를 위해서는 다층 압전세라믹 변압기를 사용해야 합니다. 텔레비전 및 컴퓨터 장비 시장은 신제품으로 인해 놀라움을 금치 못하며 압전세라믹 부품 제조업체는 이 분야의 연구 개발을 강화해야 합니다.

스택 액츄에이터는 이미 우주 기술, 레이저 기술 및 광학 기기에서 게이지 정밀도로 안테나와 거울을 조정하는 데 사용되고 있습니다. 최소한의 움직임 각도로 추진력을 개발하는 것이 중요한 곳에서 더 폭넓게 사용될 것으로 믿어집니다.

유망한 분야 중 하나는 공작 기계의 미세 조정에 사용되는 것입니다. 견고한 구조 덕분에 피에조 액추에이터는 빠르고 정밀한 조정에 이상적인 도구입니다. 스핀들의 회전에 맞춰 템플릿에 고정된 전압을 가함으로써 기계의 작동유체에 의해 부품의 고정밀 가공이 가능합니다.

공작기계 산업에서는 진동을 억제(보상)하기 위해 이를 사용할 계획입니다. 공작 기계의 원치 않는 진동은 진동 진동과 함께 역위상으로 작동하는 다층 액추에이터를 사용하여 보상할 수 있습니다. 이는 최종 제품의 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 과도한 공구 마모를 방지하고 기계의 소음 수준을 크게 줄이는 데 도움이 됩니다. 진동 보상기는 공작 기계 제작뿐만 아니라 다른 분야에도 적용할 수 있습니다.

패키지 액추에이터를 사용하는 또 다른 유망한 분야는 유압 밸브의 제어입니다. 이에 대한 예는 연료 장비용 압전세라믹 고속 밸브의 최신 개발입니다. 디젤 엔진자동차와 트럭은 물론 디젤 엔진과 내연 기관의 가스 분배 시스템에도 사용됩니다.

압전 세라믹 요소, 어셈블리 및 이를 기반으로 한 부품의 통합 사용에 대한 놀라운 예는 미국 회사 APC International, Ltd.의 공동 개발일 수 있습니다. 자동차 산업 부품 제조업체와 협력합니다.

현대적이고 기술적으로 복잡한 자동차에는 신뢰성, 안전성 및 편안함을 향상시키기 위해 지속적으로 추가 전자 장치의 도입이 필요합니다.

따라서 압전세라믹은 그로 인해 독특한 속성다양한 엔지니어링 및 기술 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 압전세라믹, 이를 기반으로 한 요소 및 부품의 외국 제조업체는 현대 시장 요구 사항을 보다 완벽하게 충족시키고 세라믹 매개변수를 개선하기 위한 연구 및 설계 작업을 수행하고 상당한 금액이 할당되는 새로운 유형의 세라믹을 개발하려고 노력합니다. 재원. 제품 비용을 줄이기 위해 에너지를 더욱 절약하고 생산 공정을 자동화할 수 있는 신기술이 개발되고 있습니다. 첨단 기술과 현대적인 장비를 갖춘 대규모 압전세라믹 제조 회사만이 세계 시장의 요구 사항을 완전히 충족할 수 있다고 믿습니다.

도시 형성 기업 OJSC VSMPO-AVISMA Corporation 서비스의 압전 효과

VSMPO-Avisma Corporation은 항공 산업, 원자력 에너지, 의학 및 기타 분야에서 티타늄 합금으로 반제품을 생산하는 세계 최고의 기업입니다. 우리 회사는 Snecma, Rolls Royce, Boeing, Pratt & Whitney, Goodrich와 같은 잘 알려진 회사의 주요 공급 업체 중 하나입니다.

덕분에 가능했습니다 고품질제조된 제품, 하이테크 생산 공정, 최신 장비 사용 및 생산 방법.

기업 수익성의 주요 지표는 생산 비용입니다. 그리고 지속적으로 품질을 향상시키면서 비용을 절감하는 것이 기업의 주요하고 지속적인 임무입니다. 생산 비용의 구성 요소는 우리 기업에서 주로 신뢰할 수 있고 민감한 제품 제어의 기술적 운영입니다.

압전 효과는 초음파 테스트의 기초가 되는 것으로 알려져 있습니다.

우리 회사에서는 기계, 열 및 주조 공장에서 제품을 100% 제어하기 위해 초음파 테스트가 널리 사용됩니다. 구성의 복잡성으로 인해 다른 유형의 결함 탐지(X선, 형광등)가 제외된 제품입니다.

초음파 테스트는 균질한 탄성 매체에서 낮은 손실로 전파되고 이 매체의 불연속성에서 반사되는 초음파 진동 에너지의 능력을 기반으로 합니다. 초음파 검사에는 두 가지 주요 방법, 즉 통과음법과 반사법이 있습니다. 초음파 빔이 샘플에 도입되고 표시기는 샘플을 통해 전달되거나 샘플 내부에 있는 불균일성에서 반사되는 진동의 강도를 측정합니다. 결함은 샘플을 통해 전달되는 에너지의 감소 또는 결함에서 반사되는 에너지에 의해 감지됩니다. 초음파 결함 탐지는 결함 탐지기를 사용하여 수행됩니다.

결함 탐지기(라틴어 "결함" - 결핍 및 그리스어 "skopeo" - "나는 본다"에서 유래)는 다양한 금속 및 비금속 재료로 만든 제품을 파괴하지 않고 결함을 탐지할 수 있는 장치입니다. 제품에 균열이 있거나 깊이에 구멍이 있거나 사고로 이어질 수 있는 기타 결함이 있습니까? 이 모든 것은 결함 탐지기에 의해 결정됩니다. 그러나 육안으로 보이지 않는 작은 균열에도 제품이 파손될 수 있습니다.

초음파 결함 탐지기(USD) 작동의 물리적 측면을 고려해 보겠습니다.

이러한 장치의 주요 요소는 석영 판입니다. 결함에 의해 반사된 음파가 그 위에 떨어지면 석영은 음파의 주파수에 따라 압축되고 늘어나며 그 가장자리에 교류 전압이 나타납니다. 이는 직접적인 압전 효과의 결과입니다. 결과적으로 기계적 응력의 영향으로 분극의 결과로 석영 및 기타 유전체 표면에 전하가 발생합니다.

석영판의 판에 교류 전압 펄스를 가하면 석영판은 인가된 전압의 주파수에 따라 진동하기 시작하여 동일한 주파수의 음향 진동원이 되어 역압전 효과가 관찰됩니다.

압전 효과는 기본 셀에 대칭 중심이 없는 결정에만 내재되어 있습니다. 이것은 이온 결정으로, 두 개 또는 여러 개의 단순한 격자가 서로 "밀어져 있는" 것으로 구성되며, 각 격자는 동일한 기호(양성 또는 음성)의 이온으로 구성됩니다. 결정이 변형되면 이러한 단순 격자가 서로 상대적으로 이동합니다. 이 경우 크리스탈의 전기적 순간이 변합니다. 즉, 크리스탈 가장자리에 전압이 나타납니다. 전기장에서 압전의 분극은 변형, 즉 역압전 효과로 이어집니다.

그림 9 초음파 다이어그램

초음파 다이어그램을 고려해 봅시다. 고주파 펄스(2)가 발생기에서 석영판(1)으로 공급됩니다. 석영 판이 진동하기 시작하고 테스트 중인 금속 부품의 부피로 초음파를 방출합니다.

균열과 같은 결함에서 반사된 초음파는 플레이트로 되돌아오고 오실로스코프(5)에 입력되는 전기 진동(3)으로 변합니다. 직접 펄스와 반사 펄스 사이의 거리에 따라 결함의 깊이를 결정할 수 있습니다(4).

초음파 테스트 연구소는 1962년 VSMPO에 설립되었습니다. 비파괴 검사 방법 실험실 창설의 창시자는 Vladislav Valentinovich Tetyukhin이었습니다. 그는 초음파 결함 탐지기를 가져와 그에게 사용법을 가르쳤습니다. 이 연구실은 항공 산업 분야에서 최고 중 하나로 인정 받았습니다. 팀은 Arpad Frantsevich Nemeth가 이끌었습니다. 실제 전문가가 여기서 일했습니다. 예를 들어, 키시나우 공장에서 초음파 테스트용 센서로 많은 어려움을 겪은 후 직접 생산하기로 결정했습니다. N.I. Kalinin이 사업을 시작했고 해냈습니다! 니콜라이 이바노비치만큼 업무에 있어 철저함, 정확성, 세심함을 갖춘 사람은 아무도 없었습니다. 대체 불가능한 전문가였던 바로 그 사람입니다!

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기계적 변형의 영향으로 자석의 자화 변화로 구성된 역 자기 변형 현상으로서의 자기 탄성 효과의 특성. 이 효과를 사용하여 힘, 토크 및 압력을 측정합니다.

코스 작업, 2010년 12월 13일에 추가됨


광탄성 효과의 개념과 일반적인 특성 및 응력 분포의 그림을 얻기 위한 응용. 기본 측정 방법 물리량: 광탄성 효과를 이용한 빛의 방사, 압력 및 가속도의 매개변수입니다.

코스 작업, 2010년 12월 13일에 추가됨


전위차 효과의 개념과 기술에서의 응용. 전위차 장치의 등가 회로. 전위차 효과를 기반으로 한 물리량 측정. 전위차 효과를 기반으로 한 센서입니다.

테스트, 2010년 12월 18일에 추가됨


전자이론을 이용한 홀효과의 설명. 강자성체와 반도체의 홀 효과. 홀 EMF 센서. 홀 코너. 홀 상수. 홀 효과 측정. 불순물 및 고유 전도성에 대한 홀 효과.

과정 작업, 2007년 2월 6일에 추가됨


강유전체의 포지스터 효과의 특징과 원리. 헤이왕과 존커 모델. 포지스터를 얻는 기술 및 주요 단계, 실제 적용 영역, 해당 효과에 대한 실험적 연구.

과정 작업, 2015년 12월 21일에 추가됨


압공진 효과의 일반적인 특성과 본질. 압전 공진 변환기 및 센서. 전리 방사선을 기록하는 방법. 공기 중 암모니아 측정. 주어진 물리적 효과에 따라 측정의 정확성을 제한하는 오류입니다.

코스 작업, 2012년 3월 26일에 추가됨


이온 및 광자 조사 시 장거리 효과. 장거리 효과를 등록하는 방법으로 미세 경도 방법. 밀리미터 범위(EHF) 범위의 전자기파의 생물학적 효과. 실리콘 다이오드 시스템의 장거리 효과.

초음파를 이용하여 얻는다.

역압전 효과;

자기변형;

감전;

압전 효과 - 기계적 응력의 영향을 받는 유전체의 분극 효과(직접 압전 효과). 역 압전 효과, 즉 전기장의 영향으로 기계적 변형이 발생하는 경우도 있습니다.

역압전 효과전기장의 영향을 받아 석영 결정(또는 다른 이방성 결정)에서 특정 방식으로 절단된 판이 전기장의 방향에 따라 압축되거나 늘어나는 사실로 구성됩니다. 교류 전압이 인가되는 플랫 커패시터의 플레이트 사이에 이러한 플레이트를 놓으면 플레이트가 강제 진동하게 됩니다. 판의 진동이 입자에 전달됩니다. 환경(공기 또는 액체), 초음파를 생성합니다.

자기왜곡 현상은 다음과 같다.강자성 막대(강철, 철, 니켈 및 그 합금)가 영향을 받아 선형 치수가 변경된다는 것입니다. 자기장, 막대의 축을 따라 향합니다. 이러한 막대를 교류 자기장(예: 교류 전류가 흐르는 코일 내부)에 배치하면 막대에 강제 진동이 발생하며 그 진폭은 공진 시 특히 커집니다. 막대의 진동 끝은 환경에 초음파를 생성하며 그 강도는 끝의 진동 진폭에 직접적으로 의존합니다.

일부 재료(예: 세라믹)는 전기장에서 크기를 변경할 수 있습니다. 감전이라고 불리는 이 현상은크기 변화는 적용된 필드의 강도에만 의존하고 그 부호에는 의존하지 않는다는 점에서 역압전 효과와 외부적으로 다릅니다. 이러한 물질에는 티탄산바륨 및 티탄산지르콘산납이 포함됩니다.

위에서 설명한 현상을 이용한 변환기를 각각 압전, 자기변형, 전기변형이라고 합니다.

초음파 방출기.

자연에서 초음파는 많은 자연 소음(바람, 폭포, 비의 소음, 파도에 의해 굴러가는 자갈의 소음, 뇌우 방전에 수반되는 소리 등)의 구성 요소로 발견됩니다. 동물의 세계의 소리. 일부 동물은 초음파를 사용하여 장애물을 감지하고 우주를 탐색합니다.

초음파 방출기는 두 가지로 나눌 수 있습니다 대규모 그룹. 첫 번째에는 이미 터 생성기가 포함됩니다. 그 안의 진동은 일정한 흐름(가스 또는 액체의 흐름) 경로에 장애물이 존재하기 때문에 여기됩니다. 두 번째 그룹의 이미터는 전기음향 변환기입니다. 그들은 이미 주어진 전기 전압이나 전류의 변동을 고체의 기계적 진동으로 변환하여 환경에 음파를 방출합니다.

전기 기계식 초음파 이미터는 역 압전 효과 현상을 이용하며 다음과 같이 구성됩니다. 다음 요소(그림 1)

압전 특성을 갖는 물질로 만들어진 판;

전도성 층의 형태로 표면에 전극이 증착됩니다.

필요한 주파수의 교류 전압을 전극에 공급하는 발전기입니다.

발전기(3)에서 전극(2)에 교류 전압이 가해지면 판(1)이 주기적으로 늘어나거나 압축됩니다. 강제 진동이 발생하며 그 주파수는 전압 변화의 주파수와 같습니다. 이러한 진동은 환경의 입자로 전달되어 해당 주파수의 기계적 파동을 생성합니다. 이미 터 근처의 매체 입자의 진동 진폭은 플레이트의 진동 진폭과 같습니다.

초음파의 특징은 주어진 진폭에서 에너지 플럭스 밀도가 주파수의 제곱.

나는 = ρ Ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)

초음파 방사의 최대 강도는 방사체 재료의 특성과 사용 조건의 특성에 따라 결정됩니다.

USF 지역에서 미국 발전의 강도 범위는 10 -14 W/cm 2 에서 0.1 W/cm 2 까지 매우 넓습니다.

많은 목적을 위해서는 방사체 표면에서 얻을 수 있는 강도보다 훨씬 더 높은 강도가 필요합니다. 이러한 경우 포커싱을 사용할 수 있습니다.

초음파 수신기. 전기기계식 초음파 수신기는 직접 압전 효과 현상을 이용합니다.

이 경우, 초음파의 영향으로 수정판(1)의 진동이 발생하고, 그 결과 전극(2)에 교류 전압이 나타나고, 이는 기록 시스템(3)에 의해 기록됩니다.

대부분의 의료기기에서는 초음파 발생기가 수신기로도 사용됩니다.

진단 및 치료 목적의 용도를 결정하는 초음파의 특성(단파장, 방향성, 굴절 및 반사, 흡수, 반흡수 깊이)

초음파의 치료 효과는 기계적, 열적, 화학적 요인에 의해 결정됩니다. 이들의 결합된 작용은 막 투과성을 향상시키고, 혈관을 확장시키며, 신진대사를 개선하여 신체의 평형 상태를 회복하는 데 도움을 줍니다. 투여된 초음파 빔을 사용하여 심장, 폐 및 기타 장기와 조직을 부드럽게 마사지할 수 있습니다.

a) 단파장. 집중하다. 초음파 파장은 소리 파장보다 훨씬 작습니다. 파장 λ=υ/ν를 고려하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 주파수가 1kHz인 소리의 경우 파장 λ 소리 = 1500/1000 = 1.5m; 주파수가 1MHz인 초음파의 경우 파장 λ 매듭 = 1500/1,000,000 = 1.5mm입니다.

파장이 짧기 때문에 초음파의 반사와 회절은 가청 소리보다 크기가 작은 물체에서 발생합니다. 예를 들어, 10cm 크기의 신체는 λ=1.5m인 음파에는 장애물이 되지 않지만, λ=1.5mm인 초음파에는 장애물이 됩니다. 이 경우 초음파 그림자가 나타나므로 경우에 따라서는 광선을 이용하여 초음파의 전파를 묘사할 수 있고 반사와 굴절의 법칙을 적용할 수도 있다. 즉, 특정 조건에서 초음파는 기하학적 광학 법칙이 적용되는 방향성 흐름으로 전파됩니다.

b) 굴절과 반사.모든 유형의 파동과 마찬가지로 초음파도 반사 및 굴절 현상이 특징입니다. 이러한 현상이 따르는 법칙은 빛의 반사 및 굴절 법칙과 완전히 유사합니다. 따라서 초음파의 전파를 광선으로 표현하는 경우가 많습니다.

프로세스를 정량적으로 특성화하기 위해 반사 계수 R=I neg /I o 개념이 도입되었습니다. 여기서 I neg는 반사된 초음파의 강도입니다. I o - 사건의 강도. 이는 0(반사 없음)에서 1(전반사)까지 변하는 무차원 수량입니다.

매질의 파동 임피던스(ρυ)가 다를수록 반사된 에너지의 비율은 커지고 경계면을 통과하는 에너지의 비율은 작아집니다.

생물학적 매질의 파동 저항은 공기의 파동 저항(R = 1/3000)보다 약 3000배 더 크므로 경계에서의 반사 공기 피부 99.99%이다. 방출기가 사람의 피부에 직접 적용되면 초음파는 내부로 침투하지 않고 방출기와 피부 사이의 얇은 공기층에서 반사됩니다. 공기층을 제거하기 위해 피부 표면을 적절한 윤활제(워터 젤리) 층으로 덮어 반사를 감소시키는 전이 매체 역할을 합니다.

윤활제는 관련 요구 사항을 충족해야 합니다. 피부의 음향 저항에 가까운 음향 저항을 갖고, 낮은 초음파 흡수 계수를 갖고, 상당한 점도를 갖고, 피부를 잘 적시며, 무독성(바셀린 오일, 글리세린 등)이어야 합니다. .

c) 흡수, 반흡수 깊이.초음파의 다음 중요한 특성은 매체에서의 흡수입니다. 매체 입자의 기계적 진동 에너지는 열 운동 에너지로 변환됩니다. 매체에 흡수된 기계적 파동 에너지는 매체를 가열합니다. 이 효과는 다음 공식으로 설명됩니다.

나 = 나 ㅇ. 전자 -kl (3)

여기서 I는 매질 내에서 거리 l만큼 이동하는 초음파의 강도입니다. I o - 초기 강도; k는 매질 내 초음파 흡수 계수입니다. e - 자연 로그의 밑(e = 2.71).

흡수계수와 함께 반흡수 깊이도 초음파 흡수의 특성으로 사용됩니다.

반흡수깊이는 초음파의 세기가 반으로 줄어드는 깊이이다.

반흡수 깊이는 조직마다 다른 의미를 갖습니다. 따라서 의료 목적으로는 저 - 1.5 W/m2, 중 - (1.5-3) W/m2 및 고 - (3-10) W/m2 등 다양한 강도의 초음파가 사용됩니다.

액체 매질에서의 흡수는 연조직보다 훨씬 적고 뼈 조직에서는 더욱 그렇습니다.

8. 초음파와 물질의 상호 작용: 음향 흐름 및 캐비테이션, 열 방출 및 화학 반응, 소리의 반사, 건전한 시각).

a) 음향 흐름 및 캐비테이션.고강도 초음파에는 여러 가지 특정 효과가 수반됩니다. 따라서 기체와 액체 내 초음파의 전파는 매질의 움직임을 동반하며, 음파 흐름(음파 바람)이 발생하며 그 속도는 10m/s에 이릅니다. 수 W/cm 2 강도의 초음파 장에서 초음파 주파수 범위(0.1-10) MHz의 주파수에서는 매우 미세한 미스트가 형성되면서 액체 분출 및 분무가 발생할 수 있습니다. 초음파 전파의 이러한 특징은 초음파 흡입기에 사용됩니다.

액체에서 강렬한 초음파가 전파되는 동안 발생하는 중요한 현상은 다음과 같습니다. 음향 캐비테이션-액체에 존재하는 초미세 가스 또는 증기 핵에서 mm 단위의 크기로 기포가 초음파 장에서 성장하며, 이는 초음파 주파수에서 맥동하기 시작하고 양압 단계에서 붕괴됩니다. 기포가 붕괴되면 국부적으로 큰 압력이 발생합니다. 수천 개의 대기, 구형 충격파가 형성됩니다. 입자에 대한 이러한 강렬한 기계적 효과는 영향이 없더라도 파괴적인 효과를 포함한 다양한 효과를 초래할 수 있습니다. 열작용초음파 기계적 효과는 집중 초음파에 노출될 때 특히 중요합니다.

캐비테이션 기포 붕괴의 또 다른 결과는 분자의 이온화 및 해리와 함께 내용물의 강한 가열(최대 약 10,000°C의 온도)입니다.

캐비테이션 현상은 이미 터의 작업 표면 침식, 세포 손상 등을 동반합니다. 그러나 이러한 현상은 여러 가지 유익한 효과를 가져오기도 합니다. 예를 들어, 캐비테이션 영역에서는 에멀젼을 제조하는 데 사용되는 물질의 혼합이 증가합니다.

b) 열 방출 및 화학 반응.물질에 의한 초음파의 흡수는 기계적 에너지의 전이를 동반합니다. 내부에너지가열로 이어지는 물질. 가장 강한 가열은 반사 계수가 100%에 가까울 때 인터페이스에 인접한 영역에서 발생합니다. 이는 반사의 결과로 경계 근처의 파동 강도가 증가하고 그에 따라 흡수되는 에너지의 양이 증가하기 때문입니다. 이는 실험적으로 확인할 수 있습니다. 젖은 손에 초음파 발생기를 부착해야 합니다. 곧, 피부-공기 경계면에서 반사된 초음파에 의해 손바닥 반대편에 감각(화상으로 인한 통증과 유사)이 나타납니다.

복잡한 구조를 가진 조직(폐)은 균질한 조직(간)보다 초음파 가열에 더 민감합니다. 연조직과 뼈 사이의 경계면에서는 상대적으로 많은 열이 발생합니다.

조직을 부분적으로 가열하면 생물학적 물체의 중요한 활동을 촉진하고 대사 과정의 강도를 증가시킵니다. 그러나 장기간 노출되면 과열될 수 있습니다.

어떤 경우에는 집속 초음파를 사용하여 신체의 개별 구조에 국지적으로 영향을 줍니다. 이 효과를 통해 제어된 고열을 달성할 수 있습니다. 주변 조직을 과열시키지 않고 41-44 0 C로 가열합니다.

초음파 통과에 따른 온도 및 압력 변화의 증가는 분자와 상호 작용할 수 있는 이온 및 라디칼의 형성으로 이어질 수 있습니다. 이 경우 정상적인 조건에서는 불가능한 화학 반응이 발생할 수 있습니다. 초음파의 화학적 효과는 특히 물 분자가 H + 및 OH - 라디칼로 분리되고 이어서 과산화수소 H 2 O 2가 형성되어 나타납니다.

c) 소리의 반사. 사운드 비전.불균일에 의한 초음파 반사를 기반으로 사운드 비전,의료용 초음파 검사에 사용됩니다. 이 경우 불균일성에서 반사된 초음파는 전기적 진동으로 변환되고, 후자는 빛으로 변환되어 빛에 불투명한 매체에서 화면의 특정 물체를 볼 수 있습니다.

초음파 현미경은 초음파 범위의 주파수에서 만들어졌습니다. 이는 일반 현미경과 유사한 장치로, 광학 현미경에 비해 장점은 생물학적 연구를 위해 물체의 사전 염색이 필요하지 않다는 것입니다. 초음파의 주파수가 증가함에 따라 분해능은 증가하지만(더 작은 불균일성이 감지될 수 있음) 침투 능력은 감소합니다. 관심 있는 구조를 검사할 수 있는 깊이가 감소합니다. 따라서 초음파 주파수는 필요한 조사 깊이와 충분한 해상도를 결합할 수 있도록 선택됩니다. 따라서 피부 바로 아래에 위치한 갑상선의 초음파 검사에는 7.5MHz 주파수의 파도가 사용되며 장기 검사에는 복강 3.5~5.5MHz의 주파수를 사용합니다. 또한 지방층의 두께도 고려됩니다. 얇은 어린이의 경우 5.5MHz의 주파수가 사용되며 과체중 어린이 및 성인의 경우 3.5MHz의 주파수가 사용됩니다.

9. 초음파의 생물물리학적 효과: 기계적, 열적, 물리화학적.

초음파가 파장의 절반에 해당하는 거리에서 조사된 장기 및 조직의 생물학적 물체에 작용할 때 단위에서 수십 기압까지의 압력 차이가 발생할 수 있습니다. 이러한 강렬한 충격은 다양한 생물학적 효과를 가져오며, 그 물리적 특성이 결정됩니다. 공동 행동 기계적, 열적, 물리화학적 현상환경에서 초음파의 전파를 동반합니다.

기계적 작용다양한 음압에 의해 결정되며 세포 및 세포하 수준에서 조직의 진동 미세 마사지로 구성되어 히알루론산 및 콘드로이틴 황산염에 대한 초음파의 해중합 효과로 인해 세포막, 세포내 및 조직막의 투과성을 증가시켜 수분 공급을 증가시킵니다. 진피층.

열 효과기계적 에너지가 열 에너지로 변환되는 것과 관련이 있으며 열은 신체 조직에서 고르지 않게 생성됩니다. 특히 초음파 에너지를 더 많이 흡수하는 조직(신경, 뼈 조직)과 혈액 공급이 부족한 곳에서는 조직의 음향 저항 차이로 인해 매질의 경계에 많은 열이 축적됩니다.

물리화학적 작용화학 에너지가 신체 조직에 기계적 공명을 유발한다는 사실 때문입니다. 후자의 영향으로 분자의 움직임이 가속화되고 이온으로의 분해가 증가하며 등전위 상태가 변경됩니다. 새로운 전기장이 형성되고, 전기적 변화세포에서. 물의 구조와 수화 껍질의 상태가 변하고, 라디칼과 생물학적 용매의 다양한 음파 분해 생성물이 나타납니다. 결과적으로 조직의 물리화학적, 생화학적 과정이 자극되고 신진대사가 활성화됩니다.

압전기는 1880년 자크 퀴리(Jacques Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie) 형제에 의해 발견되었습니다. 그들은 석영이나 개별 결정에 압력이 가해지면 전하가 생성된다는 사실을 발견했습니다. 이 현상은 나중에 압전 효과라고 불렸습니다.

곧 퀴리 형제는 역압전 효과를 발견했습니다. 이는 물질이나 결정체에 전기장이 가해져 물체가 기계적으로 변형된 이후였습니다.

압전이라는 용어는 압축을 의미하는 그리스어 피에조(piezo)에서 유래되었습니다. "전기"라는 단어가 그리스어 "호박"에서 유래했다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 호박은 또한 전기 에너지의 원천이 될 수 있습니다.

많은 현대 전자 장치는 압전 효과를 사용하여 작동합니다. 예를 들어 일부 오디오 인식 장치의 경우 사용하는 마이크는 위에서 언급한 효과에 따라 작동합니다. 압전 크리스탈은 음성 에너지를 스마트폰, 컴퓨터 및 기타 전자 장치에서 사용할 수 있는 전기 신호로 변환합니다.

압전 효과 덕분에 일부 첨단 기술의 탄생도 가능해졌습니다. 예를 들어, 고출력 소나는 작고 민감한 마이크와 압전 효과를 기반으로 하는 세라믹 사운드 센서를 사용합니다.

직접 압전 효과

압전 재료(세라믹 또는 결정질)가 두 개의 금속판 사이에 배치됩니다. 전하를 생성하려면 기계적 힘(압축 또는 해제)을 적용해야 합니다. 기계적 힘이 가해지면 금속판에 전하가 축적되기 시작합니다.

이러한 방식으로 압전 효과는 소형 배터리처럼 작동합니다. 마이크, 압력 센서, 소나 및 기타 민감한 장치는 이 효과를 사용하여 작동합니다.

역압전 효과

위에서 역 압전 효과도 있다고 언급했습니다. 압전 결정에 전압이 가해지면 신체의 기계적 변형이 발생하여 신체가 팽창하거나 수축한다는 사실에 있습니다.

역압전효과는 음향소자 개발에 큰 도움이 된다. 예로는 스피커, 사이렌, 벨 등이 있습니다. 이러한 스피커의 장점은 매우 얇아서 휴대폰과 같은 소형 장치에 사용할 때 거의 대체할 수 없다는 것입니다. 이 효과는 의료용 초음파 및 수중 음향 센서에서도 자주 사용됩니다.

압전재료

이러한 재료는 압축과 같은 기계적 힘으로 인해 전기 에너지를 생성해야 합니다. 또한 이러한 재료는 응력이 가해지면 변형되어야 합니다.

이러한 재료는 일반적으로 크리스탈과 세라믹 제품의 두 그룹으로 나뉩니다. PZT(티탄산지르콘산납), 티탄산바륨 및 니오브산리튬은 석영 및 기타 천연 재료보다 더 뚜렷한 효과를 갖는 인공 압전 재료의 예입니다.

인공적으로 생산된 지르콘 티탄산납 PZT와 천연 원소인 석영을 비교해 보겠습니다. 따라서 PZT는 동일한 변형에 대해 훨씬 더 큰 응력을 생성할 수 있습니다. 따라서 반대 효과로 동일한 응력에서 더 큰 변형이 발생하기 쉽습니다. 석영은 최초로 알려진 압전 재료입니다.

PsT는 다음에서 생산됩니다. 고온두 가지 화학 원소 - 납과 지르코늄을 첨가하여 화합물티타네이트라고 부른다. PZT PbO의 화학식 3. 초음파 변환기, 세라믹 커패시터, 센서 및 기타 전자 장치를 생산하는 데 널리 사용됩니다. 또한 특정 범위의 다양한 속성을 가지고 있습니다. 1952년 도쿄공업대학에서 처음 제작되었습니다.

티탄산바륨은 압전 특성을 지닌 강유전성 세라믹 재료입니다. 이러한 이유로 티탄산바륨은 압전재료로 다른 것보다 많이 사용되어 왔다. 티탄산바륨은 1941년 제2차 세계대전 중에 발견되었으며, 화학식 BaTiO3.

니오브산리튬은 산소, 리튬, 니오븀이 결합된 화합물입니다. 화학식은 LiNbO3입니다. 티탄산바륨과 마찬가지로 강유전성 세라믹 재료입니다.

압전 장치

소나

소나는 1900년대 루이스 닉슨(Lewis Nixon)에 의해 발명되었습니다. 원래는 빙산을 탐지하는 데 사용되었습니다. 그러나 잠수함 탐지에 사용된 제1차 세계 대전 중에 이에 대한 관심이 크게 증가했습니다. 요즘에는 소나가 널리 사용되는 장치입니다. 큰 금액다양한 유형의 응용 프로그램.

아래 그림은 소나의 작동 원리를 보여줍니다.

작동 원리는 매우 간단합니다. 역 압전 효과를 사용하는 송신기는 음파를 특정 방향으로 보냅니다. 파동이 물체에 부딪히면 반사되어 다시 되돌아오며 수신기에 의해 감지됩니다.

수신기는 송신기와 달리 직접 압전 효과를 사용합니다. 반사된 음파를 전기 신호로 변환하고 전자 시스템으로 전송하여 신호를 추가로 처리합니다. 신호 소스에서 식별된 물체까지의 거리는 송신기-수신기 신호의 타이밍 특성을 기반으로 계산됩니다.

압전 액추에이터

압전 효과를 기반으로 한 동력 구동 장치의 작동은 다음과 같습니다.

드라이브의 작동은 매우 간단합니다. 재료에 가해지는 전압의 영향으로 드라이브가 팽창하거나 수축하여 드라이브가 작동하게 됩니다.

예를 들어, 일부 편직 기계는 단순성과 최소한의 회전 부품 수로 인해 이 효과를 작업에 사용합니다. 이러한 드라이브는 일부 캠코더와 휴대폰에서 포커스 드라이브로 사용되기도 합니다.

압전 스피커 및 부저

이러한 장치는 역압전 효과를 사용하여 소리를 생성하고 재생합니다. 스피커와 버저에 전압을 가하면 진동하기 시작하여 음파가 생성됩니다.

압전 스피커는 일반적으로 알람 시계 또는 기타 간단한 스피커 시스템에 사용되어 간단한 오디오 시스템을 만듭니다. 이러한 제한은 해당 시스템의 차단 주파수로 인해 발생합니다.

피에조 드라이버

압전 드라이버는 낮은 배터리 전압을 높은 전압으로 변환하여 압전 전력 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. 피에조 드라이버는 엔지니어가 큰 사인파 전압을 생성하는 데 도움이 됩니다.

아래는 피에조 드라이버의 작동 원리를 보여주는 블록 다이어그램입니다.

피에조 드라이버는 배터리로부터 낮은 전압을 수신하고 증폭기를 사용하여 전압을 높입니다. 발진기는 낮은 진폭의 정현파 전압을 드라이버 입력에 공급하며, 이는 이후에 압전 드라이버에 의해 증가되어 압전 장치로 전송됩니다.