Пьезоизлучатель ультразвуковой: как правильно выбрать

Ультразвуковые пьезоизлучатели - незаменимые помощники во многих сферах нашей жизни. От правильного выбора зависит эффективность их работы. Давайте разберемся, как выбрать оптимальный пьезоизлучатель ультразвуковой для конкретных задач.

Принцип работы пьезоизлучателя

Пьезоизлучатель ультразвуковой работает на основе пьезоэлектрического эффекта - способности некоторых материалов (пьезоэлектриков) деформироваться под действием электрического поля и, наоборот, генерировать электрический заряд при механическом воздействии.

Основными компонентами пьезоизлучателя являются:

• Пьезоэлемент - пластина или диск из пьезокерамики или пьезополимера.
• Электроды - металлические контакты, нанесенные на пьезоэлемент.
• Корпус - защитный кожух, фиксирующий пьезоэлемент.
• Электрический разъем.

При подаче переменного напряжения определенной частоты на электроды пьезоэлемент совершает механические колебания с той же частотой, излучая ультразвуковые волны. И наоборот, деформация пьезоэлемента под действием звуковой волны индуцирует электрический сигнал на его выводах.

В отличие от динамических излучателей, где используется катушка и магнит, пьезоизлучатели обеспечивают более высокую частоту и КПД преобразования энергии.

Области применения пьезоизлучателей

Ультразвуковой пьезоизлучатель находит широкое применение в различных областях:

• Медицинская диагностика - ультразвуковые сканеры.
• Физиотерапия - ультразвуковой массаж.
• Промышленная очистка деталей в ультразвуковых ваннах.
• Сварка и спайка пластмасс.
• Датчики парковки в автомобилях.
• Системы оповещения и сигнализации.

Пьезоизлучатель для ультразвуковой ванны позволяет эффективно удалять загрязнения с поверхности деталей и изделий. Ультразвуковой пьезоизлучатель своими руками можно использовать для создания увлажнителя воздуха или устройства для отпугивания грызунов.

Типы и конструкции пьезоизлучателей

По материалу пьезоэлемента различают пьезоизлучатели:

• Пьезокерамические - на основе пьезокерамики, например, цирконат-титаната свинца (ПКР-8).
• Пьезополимерные - с пьезоэлементом из пьезополимеров, чаще PVDF.

По форме рабочей поверхности бывают:

• Плоские.
• Выпуклые (фокусирующие).
• Вогнутые (фокусирующие).

По конструкции различают:

• Однослойные - с одним пьезоэлементом.
• Многослойные - со слоистой структурой.
• Составные - из отдельных пьезоэлементов.

Для фокусировки ультразвука применяются специальные фокусирующие пьезоизлучатели с выпуклыми или вогнутыми излучающими поверхностями.

Как выбрать пьезоизлучатель для конкретного применения

При выборе пьезоизлучателя для работы необходимо учитывать:

• Требуемую мощность и рабочий частотный диапазон.
• Условия эксплуатации - температуру, влажность, агрессивность среды.
• Габаритные размеры и способ крепления в устройстве.
• Наличие необходимых дополнительных блоков (усилитель, блок питания).

Для ультразвуковой очистки обычно используют мощные низкочастотные пьезоизлучатели. В медицинских ультразвуковых сканерах применяют высокочастотные пьезоэлементы небольшого размера.

Фокусирующие пьезоизлучатели с вогнутой поверхностью обеспечивают максимальную интенсивность ультразвука в фокальной области.

Для создания ультразвуковой ванны своими руками подойдет недорогой стандартный пьезоизлучатель мощный ультразвуковой.

Подбор и расчет параметров пьезоизлучателя

Для эффективной работы пьезоизлучателя необходимо правильно рассчитать его параметры:

1. Определить требуемую мощность излучателя исходя из размеров зоны воздействия, требуемой интенсивности ультразвука и КПД преобразования.
2. Выбрать оптимальную рабочую частоту с учетом целей применения и особенностей воздействия на среду.
3. Подобрать пьезоматериал и геометрию пьезоэлемента для обеспечения нужного диапазона частот.
4. Спроектировать согласующие электрические цепи и усилитель мощности.

Например, для ультразвуковой очистки рассчитывают мощность излучателя по формуле:

P = k × S × I

где P - мощность, Вт; k - коэффициент пропорциональности; S - площадь излучающей поверхности, м²; I - требуемая интенсивность, Вт/м².

Правильный подбор параметров пьезоизлучателя позволяет добиться высокой эффективности ультразвукового воздействия.

Сборка и монтаж пьезоизлучателя

При сборке и монтаже пьезоизлучателя необходимо соблюдать ряд правил:

• Пьезоэлемент должен быть хорошо зафиксирован в корпусе, но не деформирован.
• Электроды и выводы должны быть изолированы от корпуса.
• Необходимо обеспечить герметичность корпуса при эксплуатации в жидких средах.
• Крепление пьезоизлучателя должно исключать ослабление и возникновение резонансных колебаний.

Пьезоизлучатель нельзя включать без теплоотвода и нагрузки. Превышение максимальной мощности может привести к выходу из строя.

При поиске неисправностей проверяют контакты и параметры питающих цепей. Неисправный пьезоэлемент подлежит замене.

Производство пьезоизлучателей

Пьезоизлучатели производят на специализированных предприятиях. Основные этапы:

1. Изготовление пьезокерамики или пьезополимерных пленок заданного состава.
2. Резка и шлифовка пьезоматериалов в пластины нужной формы.
3. Нанесение электродов методом напыления или фотолитографии.
4. Поляризация пьезоэлемента в электрическом поле при высокой температуре.
5. Сборка пьезоэлемента в корпус с электрическим разъемом.

Крупнейшими производителями пьезоизлучателей являются компании из США, Японии, Германии. В России есть несколько предприятий, выпускающих пьезоэлементы и готовые излучатели.

Тенденции и перспективы развития

Основные направления совершенствования пьезоизлучателей:

• Создание новых пьезоматериалов с улучшенными характеристиками.
• Микроэлектронные технологии изготовления многослойных структур.
• Новые схемы и алгоритмы управления излучателями.
• Композитные и гибридные пьезоконструкции.

Ожидается расширение применения пьезоизлучателей в медицине, промышленности, технике благодаря улучшению характеристик и снижению стоимости.

Практические советы по выбору пьезоизлучателя

При выборе пьезоизлучателя рекомендуется:

• Уточнить требования к частотному диапазону и мощности.
• Выбрать оптимальный тип пьезоэлемента.
• Учесть влияние температуры и среды эксплуатации.
• Определиться с вариантом крепления в устройстве.
• Проверить совместимость с другими блоками.
• Получить консультации у производителя.

Правильный подбор пьезоизлучателя по соотношению цена/качество - залог эффективной работы устройства.

Примеры применения пьезоизлучателей

Рассмотрим несколько примеров успешного применения пьезоизлучателей:

• В ультразвуковом скальпеле для неинвазивной хирургии используется фокусирующий пьезоизлучатель с частотой 50 кГц.
• Для ультразвуковой дефектоскопии металлов применяют преобразователи из пьезокомпозита с частотой до 15 МГц.
• В увлажнителях воздуха часто используют керамические пьезоизлучатели мощностью 30-60 Вт на частоте 1-2 МГц.

Таким образом, выбор оптимального пьезоизлучателя позволяет решать широкий круг задач в разных областях.