Traductor cu Ultrasunete

1.Generalităţi

Ultrasunetele, ca şi sunetele, sunt oscilaţii elastice care se datorează

vibraţiilor mecanice ale particulelor mediului, în jurul unor poziţii de echilibru.

Domeniul de frecvenţă al ultrasunetelor este 16 kHz ... 100 GHz.

În gaze şi lichide se propagă un singur tip de unde elastice, undele

longitudinale. Acestea se găsesc şi în solidele ale căror dimensiuni depăşesc

foarte mult lungimea de undă a oscilaţiilor elastice.

Generatoarele şi receptoarele de ultrasunete se bazează pe efectul

piezoelectric şi efectul piezomagnetic.

Unii dielectrici formaţi din dipoli permanenţi care nu au centru de

simetrie (de exemplu substanţele feroelectrice) au efect piezoelectric direct.

Dacă un astfel de cristal este supus unei deformări elastice de întindere,

compresiune sau torsiune, atunci dipolii săi moleculari se rotesc şi cristalul se

polarizează. Ca urmare, pe feţele opuse ale cristalului apar sarcini legate care

creează un câmp electric şi o diferenţă de potenţial între aceste feţe. Mărimea

polarizării este proporţională cu deformaţia mecanică. La schimbarea sensului

deformaţiei, se schimbă şi semnul polarizării. Cristalele piezoelectrice sunt

cristale naturale (cuarţul, sarea Seignette - tartrat dublu de sodiu şi potasiu) şi

cristale artificiale (metatitanatul de bariu).

Efectul piezoelectric invers apare dacă se aplică o diferenţă de potenţial

cristalului. Ca urmare a rotirii dipolilor, apare o deformaţie de întindere,

comprimare sau torsiune. Cristalele pot fi tăiate astfel încât câmpul electric şi

deformaţia să fie reciproc perpendiculare (efect piezoelectric transversal) sau

câmpul electric şi deformaţia să fie paralele (efect piezoelectric longitudinal).

Efectul piezoelectrie invers nu rebuie confundat cu fenomenul de

electrostricţiune, care apare la dielectricii cu legături ionice (de exemplu NaCl).

Reţelele ionilor pozitivi şi ale celor negativi din dielectricul situat într-un câmp

electric, se deplasează în direcţii opuse, producând o deformare. Datorită

deplasării reciproce a particulelor încărcate cu sarcini electrice de semne

contrare, electrostricţiunea, spre deosebire de efectul piezoelectric, nu depinde

de sensul câmpului aplicat: deformaţia prin electrostricţiune depinde pătratic

de câmp, în timp ce efectul piezoelectric depinde liniar de câmp.

Efectul magnetostrictiv constă în deformarea unui material feromagnetic

sub acţiunea câmpului magnetic, independent de sensul acestuia şi depinzând

doar de mărimea câmpului şi de natura materialului. Efectul este reversibil.

Materialele magnetostrictive sunt metalele feromagnetice (Ni, Co, Fe) şi

unele aliaje ale acestora: (permendur (75 % Co, 25 % Fe), alifer (13 % Al, 87

% Fe), hipert (50 % Ni, 50 % Fe), permalloy (40 % Ni, 60 % Fe) precum şi

unele ferite. Proprietăţile piezoelectrice şi piezomagnetice dispar când

materialele respective sunt încălzite peste temperatura Curie a acestora.

Traductorul piezoelectric cu ultrasunete, dupa schema principiala din figura 3.15. se compune din carcasa metalica 1, în interiorul careia se monteaza pastila piezoelectrica 2 (materiale cristaline - cuart sau materiale amorfe - titanatul de bariu, titanatul de zirconiu) pe care sunt plasate doua armaturi metalice 3. Placa izolatoare 4 protejeaza traductorul de mediul de contact, putând avea si rolul de transformator acustic prin adaptarea impedantei acustice a

traductorului la mediul de propagare. Prin alimentarea traductorului cu o tensiune alternative între conductorul 5 si carcasa, sub actiunea câmpului electric alternativ creat, prin efect piezoelectric, pastila se va deforma.

Pentru obtinerea unui raspuns rapid, în spatiul 6 din interiorul carcasei se introduce un material cu impedanta acustica mare (deobicei pulbere de titan în liant solidificat) cu rolul de amortizor mecanic cu precizarea ca amortizarea se poate face si electric, prin montarea unei rezistente electrice de valoare mare în paralel cu traductorul.

La alimentarea traductorului cu o tensiune alternativă, între conductor şi

carcasă, pastila piezoelectrică este supusă unui câmp electric

alternativ, care, prin efect piezoelectric, o deformează. Vibraţiile

produse în pastilă se pot propaga prin mediul cu care pastila se află în

contact.

Metodele de măsurare a distanţelor cu ultrasunet pot fi: în undă

continuă sau în impuls, şi anume – metoda ecoului – în care acelaşi

traductor este folosit atât în regim de emiţător, cât şi în regim de

receptor.

2.Tehnici de defectoscopie ultrasonoră

În practică se întâlnesc următoarele metode de defectoscopie ultrasonoră:

a) Metoda vizualizării. Imaginea obţinută prin examinarea obiectului cu

ajutorul ultrasunetelor se transformă în imagine optică; după străbaterea

obiectului, fasciculul ultrasonic nu mai are intensitate uniformă în toate

punctele şi se foloseşte un convertor acustico-optic pentru a obţine zone

luminoase sau întunecate.