Применение ультразвуковых колебаний в диагностике и терапии

Ранее рассмотрена физическая природа явления спонтанной поляризации сегнетоэлектриков. Многие сегнетоэлектрические материалы являются также пьезоэлектриками, способными к преобразованию механической энергии в электрическую и наоборот. Такие преобразователи, наряду с магнитострикционными элементами, могут быть источниками ультразвуковых колебаний, широко применяемых в технических и биомедицинских аппаратах и системах.

Природа пьезоэлектрического эффекта

Образование электростатического заряда на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него под действием механического напряжения называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (рис. 2.2). В переводе с греческого «пьезо» означает «давить». Наряду с прямым

существует обратный пьезоэффект, заключающийся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла или изготовленной из пьезокерамики, возникают механические деформации под действием приложенного электрического поля, причем величина механической деформации пропорциональна напряженности электрического поля (рис. 2.3).

При обратном пьезоэффекте между деформацией и напряженностью электрического поля существует линейная зависимость (знак деформации следует за знаком поля).

Пьезоэлектрик под действием механического давления

Рис. 2.2. Пьезоэлектрик под действием механического давления: 1 - пьезоэлемент размером а в свободном и а’ - деформированном состоянии; 2 - электроды

Пьезоэлектрик

Рис. 2.3. Пьезоэлектрик: а - в отсутствии электрического поля;

б - в поле, растягивающем образец; в - в ноле, сжимающем образец

Пьезоэлектричество проявляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, то есть когда она вызывает индуцированный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения.

Каждый пьезоэлектрик является электромеханическим преобразователем, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи Кр. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющейся в механической форме для конкретного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Упругие свойства пьезоэлектриков характеризуются такими параметрами, как модуль Юнга, ньезомодуль, пьезоэлектрическая постоянная. Для технического применения широко используются пьезоэлементы на основе сегнетоэлектриков (титанов бария и свинца, метаниобата свинца и др.).

При температуре ниже точки Кюри сегнетоэлектрики имеют доменные области с различными направлениями электрических дипольных моментов. Под влиянием электрического поля происходят процессы роста размеров тех доменных областей, дипольные моменты которых составляют наименьший угол с направлением наиболее легкой поляризации кристалла (смещение границ доменов), а также процессы вращения дипольных моментов в направлении внешнего поля. После снятия внешнего поля большая часть электрических дипольных моментов доменов удерживается в своем положении из-за возникновения внутреннего поля (параллельной ориентации направлений векторов поляризации доменов).

Часто пьезоэлементы из сегнетоэлектриков (а также твердых растворов на их основе) выполняются по керамической технологии в виде готовых шайб, дисков, состоящих из плотно спеченных поликристалличсских структур [18].

До поляризации керамические пьезоэлектрики имеют одинаковые физические свойства во всех направлениях. Они становятся анизотропными после поляризации постоянным электрическим полем, которое может быть приложено в любом направлении. В этом состоит отличие керамических пьезоэлектриков от монокристаллических, у которых пьезоэлектрическая ось является строго определенным направлением. Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Особенности пьезоэлектрических характеристик элементов определяются параметрами режима поляризации — напряженностью электрического поля, температурой и временем выдержки.

Пьезоэлементы широко используются в приборах и устройствах, предназначенных для разделения колебаний различной частоты, генерирования и трансформирования напряжения, измерения частоты и вибрации, разрушения окислов на поверхности металлов при сварке, измерения расстояний и поиска объектов в воде, в неразрушающих методах контроля, сейсморазведке, при диагностике и лечении заболеваний человека.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >