Принципы генерации ультразвука
Ультразвук — это механические колебания среды с частотой выше верхнего предела слышимости человека (то есть выше ~20 кГц). Для его генерации необходимо преобразовать электрическую или механическую энергию в высокочастотные упругие колебания. В физике и инженерии применяются различные методы генерации ультразвука, основанные на различных физических принципах.
Пьезоэлектрический метод
Пьезоэлектрический эффект заключается в способности некоторых кристаллов (например, кварца, титаната бария, титаната-цирконата свинца) изменять свои размеры при воздействии на них электрического поля. Если на кристалл подать переменное напряжение, то он начнёт механически деформироваться в такт электрическому сигналу. Таким образом, возникает механическая волна — ультразвук.
Пьезоэлектрические преобразователи являются наиболее распространёнными в ультразвуковой технике. Частота ультразвуковых колебаний определяется частотой подаваемого сигнала, а также собственными резонансными частотами пьезоэлемента. При проектировании генераторов важно учитывать акустический резонанс, чтобы максимизировать амплитуду ультразвука.
Основные характеристики пьезоэлементов:
Магнитострикционный метод
Магнитострикция — явление, при котором ферромагнитные материалы изменяют свои размеры при намагничивании. При подаче переменного магнитного поля ферромагнетик (например, никель, пермаллой, железо-кобальтовые сплавы) начинает механически вибрировать с той же частотой. Эти вибрации могут быть переданы в окружающую среду в виде ультразвуковых волн.
Магнитострикционные преобразователи имеют более высокую механическую прочность, чем пьезоэлектрические, и могут работать в условиях высоких температур и агрессивных сред. Однако они характеризуются меньшей эффективностью и большим весом.
Особенности магнитострикционных преобразователей:
Электростатический метод
Принцип основан на колебаниях гибкой мембраны, находящейся в переменном электрическом поле. Если между двумя электродами — одним гибким, другим жёстким — приложить переменное напряжение, то изменяющаяся сила притяжения вызывает колебания мембраны. Если размеры системы малы, а частота сигнала высока, возможна генерация ультразвука.
Такой принцип используется, например, в конденсаторных микрофонах и динамиках, а также в микроэлектромеханических системах (MEMS), где возможна генерация и приём ультразвука в диапазоне до десятков мегагерц.
Термоакустический метод
Основан на резонансных колебаниях газа в результате периодического нагрева. При быстром изменении температуры газа возникает чередование участков сжатия и разрежения, что приводит к формированию звуковых волн. Для генерации ультразвука необходимо обеспечить высокочастотное модулирование теплового потока.
Хотя термоакустические методы не получили широкого распространения в практической ультразвуковой технике, они представляют интерес в задачах научных исследований и разработке источников для специфических условий (например, в криогенных средах).
Оптоакустическая генерация
При интенсивном кратковременном воздействии лазерного излучения на поверхность вещества происходит быстрый нагрев и локальное тепловое расширение. Это создаёт механическую волну — импульс ультразвука. Метод особенно актуален в задачах медицинской визуализации (например, в оптоакустической томографии), где требуется точечная и неинвазивная генерация ультразвука.
Преимущества метода:
Дуговой и искровой методы
В этих методах используется быстрый локализованный нагрев среды электрическим разрядом (например, дугой или искрой), что вызывает образование ударной волны. Такие методы чаще применяются в лабораторных исследованиях или в гидроакустике, особенно при необходимости генерировать мощные импульсы ультразвука.
Искровые источники обладают высокой амплитудой сигнала, но низкой повторяемостью, коротким сроком службы и опасностью разрушения оборудования.
Механические генераторы ультразвука
В ранних экспериментах и ряде специальных применений ультразвук генерировали с помощью механических вибраторов, вращающихся зубчатых колёс (например, ультразвуковые сирены) и резонаторов. Такие методы сегодня утратили практическое значение, но остаются важными для понимания исторических аспектов развития ультразвуковой техники.
Резонансные условия и согласование
Для эффективной генерации ультразвука важным условием является согласование резонансной частоты преобразователя с частотой возбуждающего сигнала. Наличие акустического резонанса позволяет значительно усилить амплитуду излучаемых волн. Это реализуется с помощью:
Также необходимо учитывать акустическое сопротивление среды, в которую вводится ультразвук. При переходе ультразвуковой волны между различными средами (например, между твёрдым телом и воздухом) возможны значительные потери энергии вследствие отражения. Поэтому важным элементом является акустический адаптер или согласующий слой, минимизирующий отражение на границе раздела.
Высокочастотные и низкочастотные диапазоны
Генераторы ультразвука классифицируются по рабочему диапазону частот:
С увеличением частоты возрастает разрешающая способность ультразвуковой системы, но уменьшается глубина проникновения вследствие более интенсивного поглощения.
Импульсный и непрерывный режимы работы
Генерация ультразвука может осуществляться как в непрерывном, так и в импульсном режиме:
Для импульсного режима важны параметры длительности импульса, частоты повторения, формы сигнала (синус, меандр, ЧМ-сигналы и др.).
Особенности конструкции генераторов ультразвука
Современные генераторы ультразвука состоят из нескольких ключевых компонентов:
Для стабильной и эффективной работы генератора необходима система обратной связи, обеспечивающая автоматическое отслеживание резонансной частоты и амплитуды излучения. В ряде систем применяются цифровые регуляторы и синхронизаторы.
Применение в различных средах
Особенности генерации ультразвука зависят от среды распространения:
В каждой среде необходимо учитывать скорость распространения звука, коэффициенты поглощения и отражения, акустическую импедансную нагрузку и прочие параметры, влияющие на эффективность генерации.