Современные технологии, основанные на пьезоэлектрических преобразователях, продолжают активно развиваться и находить всё новые области применения. Пьезоэлектрический эффект, открытый в конце XIX века, стал основой для множества устройств, которые используются в самых различных сферах науки и техники. Одной из наиболее заметных сфер является ультразвуковая техника, включающая в себя такие устройства, как ультразвуковые локаторы, уровнемеры, дефектоскопы, а также медицинские приборы для диагностики. В основе их работы лежит способность пьезоэлементов генерировать ультразвуковые колебания и преобразовывать их в электрические сигналы, что позволяет проводить высокоточные измерения и наблюдения.
Одним из важнейших аспектов этих технологий является комбинированное использование как прямого, так и обратного пьезоэффекта. Этот подход значительно расширяет возможности приборов, улучшая точность измерений и повышая функциональные характеристики устройств. В частности, пьезоэлектрические преобразователи играют ключевую роль в таких областях, как морская навигация, сельское хозяйство, медицинская диагностика, а также в ряде промышленных процессов, связанных с контролем качества материалов и конструкций.
В последние десятилетия научные и технологические достижения привели к созданию более совершенных ультразвуковых технологий, которые применяются для обнаружения различных объектов, измерения уровней жидкостей, контроля качества сварных и других соединений. Эти приборы нашли свою нишу в самых различных областях, от сельского хозяйства до высокоточных медицинских исследований.
Комбинированное использование пьезопреобразователей, которые работают как в режиме прямого, так и обратного пьезоэффекта, получило широкое распространение в различных высокотехнологичных областях, таких как локационная техника, дефектоскопия, медицинская диагностика, а также при производстве кварцевых генераторов и пьезотрансформаторов. Этот подход стал основой для создания более точных и эффективных систем, которые применяются в самых разнообразных отраслях.
Одним из ярких примеров использования таких преобразователей является ультразвуковой (УЗ) локатор. Это устройство включает в себя излучатель и приёмник ультразвука, которые взаимодействуют друг с другом через определённые промежутки времени. Излучатель отправляет короткие ультразвуковые импульсы, которые распространяются в пространстве до тех пор, пока не столкнутся с каким-либо объектом. Когда сигнал встречает препятствие, он отражается и возвращается обратно к излучателю, что можно сравнить с эффектом эха, которое мы слышим, если крикнуть в пустом пространстве. Используя скорость распространения звуковых волн и время, прошедшее от отправки сигнала до его возвращения, можно точно вычислить расстояние до объекта, который его отразил.
В 1917 году французский физик и математик Пьер Ланжевен предложил использовать ультразвуковые локационные приборы, основываясь на пьезоэффекте, что стало революцией в области навигации и обнаружения объектов. Это изобретение позволило значительно улучшить методы поиска подводных объектов и произвело настоящий переворот в подводной навигации. Современные ультразвуковые локаторы, которые активно применяются на морских судах, помогают точно определять глубины океанов, выявлять подводные рифы, мели и другие потенциально опасные для судоходства объекты. Например, с помощью таких устройств рыболовные суда могут эффективно искать большие косяки рыбы, что значительно облегчает их работу.
В военной сфере ультразвуковые локаторы также играют важную роль в обнаружении подводных лодок и мин, что значительно повышает безопасность морских операций. Эти технологии продолжают развиваться, обеспечивая более высокую точность и надёжность в самых разных областях, включая военное дело.
Принцип работы ультразвуковых локаторов находит свое применение и в других сферах, таких как измерение уровня жидкости. Ультразвуковые уровнемеры, используя принцип отражения волн от границы раздела жидкость–газ, позволяют точно определять положение уровня. Измерения проводятся с помощью ультразвуковых волн, которые проходят от источника до приемника после отражения от поверхности жидкости. В зависимости от времени, которое волна затрачивает на путь туда и обратно, можно вычислить точное расстояние до поверхности. Схема ультразвукового уровнемера с локацией через газовую среду представлена на рисунке 1.
Источником и одновременно приёмником ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, который размещён в акустическом преобразователе. Этот элемент возбуждает ультразвуковые импульсы при подаче электрического сигнала от генератора. После того как волны отражаются от поверхности и возвращаются к пьезоэлементу, он преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается и подаётся на блок измерения времени, который рассчитывает время задержки между отправкой и возвращением сигнала. Измерение времени позволяет точно определить уровень жидкости. Для компенсации влияния температуры газа используется специальный блок температурной компенсации, который включает термопреобразователь.
Рис. 1. Схема ультразвукового уровнемера: 1 – акустический преобразователь; 2 – генератор; 3 – усилитель; 4 – блок измерения времени; 5 – электронный преобразователь; 6 – вторичный прибор; 7 – блок температурной компенсации
С развитием технологий в последние годы ультразвуковые локаторы также начали применяться в сельскохозяйственном машиностроении. Современные сеялки и многокорпусные плуги, обладая большой шириной захвата, не всегда могут обеспечивать одинаковую глубину погружения для всех рабочих органов. Это связано с тем, что поверхность поля далеко не всегда идеально ровная. Однако ультразвуковой локатор, установленный на оси подвеса сельскохозяйственного оборудования, может измерять расстояние до земли. С помощью бортового компьютера он подаёт управляющий сигнал на исполнительные механизмы, что позволяет плугам или сеялкам подниматься и опускаться в зависимости от изменения рельефа почвы. Это способствует точному регулированию глубины вспашки и заделки семян, что значительно улучшает качество работы сельскохозяйственной техники.
Ультразвуковая технология также используется в дефектоскопии, где принцип ультразвуковой локации применяется для обнаружения дефектов и неоднородностей в материалах. Эта технология позволяет находить поры, включения и другие недостатки, которые могут возникнуть в процессе производства или эксплуатации, особенно в таких критичных областях, как авиация, атомная энергетика и железнодорожные транспортные системы. Ультразвуковой контроль является обязательной процедурой при изготовлении и эксплуатации многих ответственных конструкций, включая детали авиационных двигателей и трубы для атомных реакторов.
В медицинской практике ультразвуковая диагностика стала стандартом для обследования множества внутренних органов. Ультразвуковые волны, введенные в тело пациента, отражаются от тканей, крови и органов, позволяя создать изображение исследуемых объектов. Увеличение частоты ультразвуковых колебаний улучшает разрешение изображения, но снижает глубину проникновения волн. Таким образом, для исследования неглубоко расположенных тканей применяются высокочастотные датчики, в то время как для обследования более глубоких органов используются низкочастотные датчики, обеспечивающие лучшее проникновение, но с меньшим качеством изображения.
Одним из важных направлений ультразвуковой диагностики является эхокардиография, которая позволяет оценить состояние сердца. Этот метод используется для измерения размеров сердца, его структур, состояния клапанов, а также для анализа сократительной способности миокарда. Это позволяет врачу точно диагностировать заболевания сердца на самых ранних стадиях.
Пьезоэлектрические резонаторы, использующие как прямой, так и обратный пьезоэффект, представляют собой устройства с ярко выраженными резонансными свойствами, которые находят широкое применение в фильтрах и преобразователях перемещения. Особенно популярными являются кварцевые резонаторы, которые служат основой для генераторов стабильной частоты. Эти устройства используются в самых различных областях, таких как радионавигация, радиоастрономия, а также в цифровой технике и, конечно, в кварцевых часах.
Кварцевые генераторы, работающие на пьезоэффекте, служат эталонами частоты в метрологии и производстве высокоточных измерительных приборов. Это стало возможным благодаря тому, что кварц обладает особыми механическими свойствами, которые позволяют ему сохранять стабильность колебаний, что делает его идеальным для использования в качестве основы для генераторов фиксированной частоты. Важно отметить, что хотя кварц является наиболее распространённым материалом, пьезоэлектрические устройства на основе других материалов, таких как пьезокерамика, также получили широкое применение.
Помимо кварцевых генераторов, другой широко используемой технологией являются пьезотрансформаторы. Эти устройства предназначены для преобразования электрических сигналов с изменением амплитуды или для передачи энергии без физического контакта между электрическими цепями. Основой конструкции пьезотрансформатора является пьезоэлемент, который в ответ на электрическое напряжение вызывает механические деформации, которые затем преобразуются в электрические сигналы с изменённым напряжением. Эти устройства активно применяются в генераторах высокого напряжения, в том числе для подсветки ЖК-экранов.
Рис. 2. Конструкция пьезотрансформатора, применяемого для генерации высокого напряжения
Использование пьезоэлектрических преобразователей, работающих в режимах как прямого, так и обратного пьезоэффекта, кардинально изменило многие отрасли промышленности и медицины. Технологии, базирующиеся на этих принципах, предоставляют широкий спектр решений для точных измерений, диагностики и контроля качества, что является необходимым в высокотехнологичных сферах. Ультразвуковые локаторы, уровнемеры и дефектоскопы, использующие пьезоэффект, стали неотъемлемой частью многих отраслей, таких как судоходство, сельское хозяйство, авиация и атомная энергетика.
Применение пьезоэлектрических технологий также открывает новые возможности в медицине, например, в области ультразвуковой диагностики, что позволяет значительно улучшить качество обследований и повысить точность диагностики заболеваний. Дальнейшее совершенствование пьезоэлектрических материалов и технологий будет способствовать созданию более эффективных и точных устройств, что, в свою очередь, откроет новые горизонты для их применения в самых разных областях человеческой деятельности.
С учётом продолжающихся научных исследований и инноваций в области пьезоэлектрических материалов и устройств можно ожидать, что пьезоэлектрический эффект будет оставаться ключевым элементом в разработке новых высокотехнологичных решений, способствующих прогрессу в различных отраслях науки и промышленности.
