مقدمه

ابتدا به چگونگی عملکرد التراسونیک می‌پردازیم، چرا که درک مفهوم ترانسدیوسر ها و اثر پیزوالکتریک به آن وابسته است. پیشتر در مقالات دیگرمان به موضوع التراسونیک پرداخته‌ایم که می‌توانید برای اطلاعات بیشتر به آنها مراجعه کنید. این دانش پایه به ما کمک می‌کند تا نقش ترانسدیوسر ها و مواد پیزوالکتریک را در کاربردهای مختلف عمیق‌تر بررسی کنیم.

حالا قبل از اینکه به بخش علمی این مقاله بپردازیم، اجازه دهید کاربردهای پیزوالکتریک‌ها و ترانسدیوسر ها را معرفی کنیم.

کاربردها

پیزوالکتریک:

میکروفون:[7]

در یک میکروفون، ما باید انرژی صوتی (امواج فشار که از طریق هوا حرکت می‌کنند) را به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم – و این چیزی است که کریستال‌های پیزوالکتریک می‌توانند در آن به ما کمک کنند. با رسیدن امواج فشار از صدای شما، کریستال را به جلو و عقب حرکت می‌دهند و سیگنال‌های الکتریکی مربوطه را تولید می‌کنند.

گرامافون:[8]

یک پخش‌کننده‌ی معمولی گرامافون دارای یک کریستال کوچک یاقوت کبود یا الماس است که در انتهای یک میله‌ی فلزی سبک نصب شده است. این میله در شیار یک دیسک وینیل (پلاستیکی) بالا و پایین می‌رود. همانطور که کریستال در شیار می‌لرزد، جهش‌های میکروسکوپی آن به پایین میله منتقل می‌شوند. با قرار گرفتن در انتهای یک دستگاه الکترومغناطیسی به نام کارتریج، حاوی یک کریستال پیزوالکتریک، میله‌ی فلزی به کریستال فشار می‌آورد و هر بار که حرکت می‌کند، کریستال را کمی تکان می‌دهد و یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند. این سیگنال‌ها به تقویت‌کننده منتقل می‌شوند تا صداهایی را که از طریق بلندگوها یا تلفن‌های خود می‌شنوید، ایجاد کنند.

ساعت مچی:

در یک ساعت کوارتز یا ساعت مچی، از اثر پیزوالکتریک معکوس برای نگه داشتن زمان با دقت بسیار بالا استفاده می‌شود. انرژی الکتریکی از یک باتری به یک کریستال وارد می‌شود تا آن را هزاران بار در ثانیه نوسان دهد. سپس ساعت از یک مدار الکترونیکی برای تبدیل آن به ضربان‌های کندتر، یک بار در ثانیه استفاده می‌کند که یک موتور کوچک و برخی چرخ‌دنده‌های دقیق برای چرخاندن عقربه‌های ثانیه‌شمار، دقیقه‌شمار و ساعت‌شمار در صفحه ساعت استفاده می‌کنند.

ساعت کوارتز

ترانسدیوسر: [9]

-تشخیص پزشکی
-آزمایش غیر مخرب (NDT)
-تمیز کردن اولتراسونیک
-اندازه گیری فاصله و تشخیص اشیا
-کاربردهای زیر آب
-اتوماسیون صنعتی

التراسونیک [1]

امواج صوتی دنباله‌ای از فشردگی و انبساط را تشکیل می‌دهند و وسیله‌ای هستند که از طریق آن، انرژی صوتی در یک محیط کشسان منتشر می‌شود. تعداد این دنباله‌های تکرارشونده در واحد زمان، فرکانس نامیده می‌شود و از آن می‌توان برای طبقه‌بندی امواج صوتی استفاده کرد.

قابلیت شنوایی گوش انسان، به عنوان مبنایی برای تعیین حدود آستانه در محور فرکانس به‌کار می‌رود. به این ترتیب، فرکانس‌های پایین‌تر از این حد را «زیرصوت» (Infrasound) و فرکانس‌های بالاتر را «فراصوت» (Ultrasound) می‌نامند.

اصطلاح «التراسونیک» (Ultrasonics) به کاربرد امواج صوتی با فرکانسی بالاتر از حد بالای شنوایی انسان (که معمولاً ۲۰ کیلوهرتز در نظر گرفته می‌شود) برای انتقال انرژی مکانیکی اشاره دارد. این واژه همچنین به صورت خلاصه برای اشاره به هرگونه دستگاه یا تجهیزاتی که از امواج اولتراسونیک بهره می‌برد نیز به کار می‌رود.

امروزه، اصول اولتراسونیک در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کاربردها بر اساس شدت انتقال انرژی (یا شدت توان) به دو دسته اولتراسونیک کم‌قدرت و پرقدرت تقسیم می‌شوند.

در اولتراسونیک کم‌قدرت، امواج منتشرشده تأثیری بر خواص فیزیکی محیط انتشار ندارند و معمولاً در بازه فرکانسی ۲۰ تا ۱۰۰ کیلوهرتز و با شدت توانی بین ۰٫۱ تا ۰٫۵ وات بر سانتی‌متر مربع استفاده می‌شوند. این نوع کاربردها بیشتر در حوزه‌هایی مانند آزمون‌های غیرمخرب (NDT) و تشخیص‌های پزشکی رایج هستند.

در مقابل، اولتراسونیک پرقدرت (که گاهی با نام ماکروسونیک یا اولتراسونیک قدرتی نیز شناخته می‌شود) به شدت توانی معمولاً بالاتر از ۱۰ وات بر سانتی‌متر مربع نیاز دارد تا بتواند تغییرات دائمی در محیط انتشار ایجاد کند. این نوع کاربرد معمولاً در فرکانس‌های بالاتر از ۱۰۰ کیلوهرتز مورد استفاده قرار می‌گیرد و در مواردی مانند برش اولتراسونیک، جوشکاری اولتراسونیک و بسیاری کاربردهای صنعتی دیگر نقش دارد.

امواج التراسونیک

رایج‌ترین روش‌های مورد استفاده برای تولید امواج در کاربردهای فراصوت عبارتند از: روش‌های مکانیکی، مغناطیسی-انقباضی و پیزوالکتریک.

روش مکانیکی:

اولین روش شناخته شده برای تولید فرکانس‌های فراصوت تا 30 کیلوهرتز با استفاده از سوت گالتون (سوت بی‌صدا) است. این روش با دمیدن جتی از گاز پرفشار به داخل یک لوله انجام می‌شود. لوله دارای یک پیستون داخلی است که با تغییر طول حفره رزونانس، فرکانس را تغییر می‌دهد.

روش مغناطیسی-انقباضی(Magnetostriction):[2]

از مواد فرومغناطیسی طبیعی استفاده می‌کند که می‌توانند انرژی مغناطیسی را به انرژی جنبشی (یا برعکس) تبدیل کنند، مانند آهن، کبالت و نیکل. این مواد حاوی اعوجاج‌های طبیعی و نواحی ناهم‌تراز هستند که دارای قطبیت مغناطیسی به نام دامنه هستند. هنگامی که یک میدان مغناطیسی، ، به یک ماده فرومغناطیسی اعمال می‌شود، دامنه‌ها می‌چرخند تا خود را با جهت میدان اعمال شده هم‌تراز کنند. این چرخش منجر به تغییر در ابعاد هندسی ماده شده و بنابراین باعث ایجاد تغییر شکل می‌شود. این ویژگی اولین بار توسط ژول در سال ۱۸۴۲ کشف شد، که متوجه تغییر در طول یک نمونه نیکل هنگام تغییر حالت مغناطیسی آن شد. او این پدیده را ژول یا اثر مغناطیسی-انقباضی نامید، در حالی که اثر متقابل، تغییر پذیرفتاری مغناطیسی (پاسخ به یک میدان اعمال شده) یک ماده هنگامی که تحت فشار مکانیکی قرار می‌گیرد، اثر مغناطیسی-انقباضی معکوس یا اثر ویلاری نامیده می‌شود.

دو اثر دیگر مربوط به مغناطیسی-انقباضی هستند: اثر ماتوچی(Matteucci) ایجاد ناهمسانگردی مارپیچی از حساسیت یک ماده مغناطیسی-انقباضی در هنگام قرار گرفتن در معرض گشتاور است و اثر ویدمن(Wiedemann) پیچش این مواد هنگام اعمال یک میدان مغناطیسی مارپیچی به آنها است.

روش مغناطیسی-انقباضی

خب، صبر کنید، قرار است کمی جزئی‌تر صحبت کنیم، بنابراین اگر نمی‌خواهید این بخش را بخوانید، لطفاً به سراغ بخش پیزوالکتریک بروید.

ناهمسانگردی مغناطیسی (magnetic anisotropy):[3]

ناهمسانگردی مغناطیسی توضیح می‌دهد که چگونه خواص مغناطیسی یک جسم می‌تواند بسته به جهت متفاوت باشد. در ساده‌ترین حالت، هیچ جهت ترجیحی برای گشتاور مغناطیسی یک جسم وجود ندارد. صرف نظر از جهت اعمال میدان، جسم به یک میدان مغناطیسی اعمال شده به یک روش یکسان پاسخ خواهد داد. این به عنوان ایزوتروپی مغناطیسی (یکنواختی در همه جهت‌ها) شناخته می‌شود. در مقابل، مواد ناهمسانگرد مغناطیسی بسته به جهت چرخش جسم، مغناطیسی شدنشان آسان‌تر یا سخت‌تر خواهد بود.

ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری (Magnetocrystalline anisotropy):

در فیزیک، اگر برای مغناطش یک ماده فرومغناطیس در جهات خاصی نسبت به جهات دیگر، انرژی بیشتری نسبت به جهات دیگر لازم باشد، گفته می‌شود که آن ماده دارای ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری است. این جهات معمولاً به محورهای اصلی شبکه کریستالی آن مربوط می‌شوند. این یک مورد خاص از ناهمسانگردی مغناطیسی است. به عبارت دیگر، انرژی اضافی مورد نیاز برای مغناطش یک نمونه در یک جهت خاص نسبت به انرژی مورد نیاز برای مغناطش آن در امتداد جهت آسان، انرژی ناهمسانگردی کریستالی نامیده می‌شود.

ساختار بلوری و تقارن نقش مهمی در تعیین بسیاری از خواص فیزیکی دارند. بعداً در بخش مواد پیزوالکتریک و ساختار آنها بیشتر به این موضوع خواهیم پرداخت.

پیزوالکتریک:[4]

اگر کریستال‌های خاصی (مانند کوارتز) را فشار دهید، می‌توانید جریان الکتریسیته را از آنها عبور دهید. عکس این قضیه نیز معمولاً صادق است: اگر الکتریسیته را از همان کریستال‌ها عبور دهید، آنها با ارتعاش به جلو و عقب، “خودشان را فشرده می‌کنند”. این تقریباً همان پیزوالکتریسیته به طور خلاصه است، اما برای روشن شدن موضوع، بیایید یک تعریف رسمی داشته باشیم:

پیزوالکتریسیته (که اثر پیزوالکتریک نیز نامیده می‌شود) ظهور یک پتانسیل الکتریکی (به عبارت دیگر یک ولتاژ) در دو طرف یک کریستال است، زمانی که آن را تحت فشار مکانیکی (با فشردن) قرار می‌دهید.

در عمل، کریستال به نوعی باتری کوچک با بار مثبت در یک طرف و بار منفی در طرف مقابل تبدیل می‌شود. اگر دو طرف را برای ایجاد یک مدار به هم متصل کنیم، جریان برقرار می‌شود.

در اثر پیزوالکتریک معکوس، یک کریستال هنگامی که ولتاژی در دو طرف مقابل آن اعمال می‌شود، تحت فشار مکانیکی قرار می‌گیرد (شکل آن تغییر می‌کند). مولکول‌های قطبی شده خود را با میدان الکتریکی همسو می‌کنند که باعث القای دوقطبی‌های الکتریکی در ساختار مولکولی یا کریستالی ماده می‌شود. این هم‌ترازی مجدد مولکولی باعث تغییر در ابعاد ماده می‌شود.

کریستال دقیقاً چیست؟

کریستال نام علمی هر جامدی است که اتم‌ها یا مولکول‌های آن به شیوه‌ای بسیار منظم و بر اساس تکرارهای بی‌پایان واحد سازنده اتمی یکسان (به نام سلول واحد) چیده شده‌اند.

هر چیزی می‌تواند کریستال باشد اگر واقعاً به آن توجه کنید، مانند ساختارها در فلزات. بنابراین یک توده آهن به همان اندازه یک تکه کوارتز کریستال است. اما آنچه واقعاً بین کریستال‌ها و یک قطعه فلز تفاوت ایجاد می‌کند، ساختار این کریستال‌ها است. ما می‌گوییم که کریستال‌ها متقارن هستند، اما این در واقع درست نیست (آنها لزوماً ساختار منظم و تکراری ندارند). کمی تغییر شکل و ساختار همزمان با فشار مکانیکی تغییر می‌کند.

ما باید از این واقعیت آگاه باشیم که نمی‌توانیم صرفاً یک قطعه کوارتز (حاوی سیلیکون و اکسیژن) را برش دهیم و انتظار داشته باشیم که پیزوالکتریک عمل کند. معیارهای خاصی باید رعایت شوند.

اول: ساختار شبکه برش‌های ما باید حاوی پیوندهای قطبی باشد. اساساً به این معنی است که برخی از اتم‌ها دارای بار مثبت جزئی هستند در حالی که برخی از اتم‌ها دارای بار منفی جزئی هستند.

دوم: همانطور که در تصاویر زیر نشان داده شده است، ساختار باید نوع خاصی از تقارن را داشته باشد.

Steve Mould – Youtube

پس چگونه کار می‌کند؟[5]

معمولاً، کریستال‌های پیزوالکتریک از نظر الکتریکی خنثی هستند: اتم‌های داخل آنها ممکن است به صورت متقارن مرتب نشده باشند، اما بارهای الکتریکی آنها کاملاً متعادل است: یک بار مثبت در یک مکان، بار منفی مجاور را خنثی می‌کند.

با این حال، اگر یک کریستال پیزوالکتریک را فشار دهید یا بکشید، ساختار را تغییر شکل می‌دهید، برخی از اتم‌ها را به هم نزدیک‌تر یا از هم دور می‌کنید، تعادل مثبت و منفی را بر هم می‌زنید و باعث ظاهر شدن بارهای الکتریکی خالص می‌شوید. این اثر در کل ساختار منتقل می‌شود، بنابراین بارهای مثبت و منفی خالص در سطوح بیرونی و روبروی کریستال ظاهر می‌شوند.

اگر روی تصاویر ۲ و ۳ تمرکز کنیم، خواهیم دید که تحت فشرده‌سازی، دو وضعیت متفاوت به دست می‌آوریم.

اول (تصاویر ۲): جایی که دو بار مثبت کناری به سمت بیرون حرکت می‌کنند. با انجام این کار، بار مثبت پایین ما به سمت بالا حرکت می‌کند (به تغییر مکان در نقطه سفید در مقایسه با تصویر ۱ توجه کنید).

دوم (تصاویر 3): جایی که دو بار منفی کناری به سمت بیرون حرکت می‌کنند. با انجام این کار، بار منفی بالا به سمت پایین حرکت می‌کند (به تغییر مکان در نقطه سفید در مقایسه با تصویر ۱ توجه کنید).

حالا چیزی که در نهایت به آن می‌رسیم، مجموعه‌ای از اتم‌های باردار مثبت در بالا و بارهای منفی در پایین سیستم است.

(1)

(2)

(3)

Steve Mould – Youtube

اثر پیزوالکتریک معکوس

همانطور که حدس زدید، اثر پیزوالکتریک معکوس به صورت برعکس اتفاق می‌افتد. با اعمال ولتاژ به یک کریستال پیزوالکتریک، اتم‌های داخل آن را تحت “فشار الکتریکی” قرار می‌دهید. آنها برای ایجاد تعادل مجدد باید حرکت کنند – و این همان چیزی است که باعث می‌شود کریستال‌های پیزوالکتریک هنگام اعمال ولتاژ تغییر شکل دهند.

خب! ببخشید که خیلی منتظر موندید، اما بالاخره بعد از این همه صحبت، حالا آماده‌ایم برای منوی اصلی. ترانسدیوسر های التراسونیک.

ترانسدیوسر التراسونیک

در انتقال توان التراسونیک، از اثر روش مغناطیسی-انقباضی و اثر پیزوالکتریک غیرمستقیم برای تبدیل انرژی جریان متناوب به انرژی صوتی در فرکانس‌های بالا استفاده می‌شود. بنابراین، یک ترانسدیوسر توان التراسونیک می‌تواند مغناطیسی-انقباضی یا پیزوالکتریک باشد.

یک شکل ساده از ترانسدیوسر مغناطیسی-انقباضی شامل یک هسته از ماده فرومغناطیسی است که توسط یک سیم رسانا به هم متصل شده است. هنگامی که یک جریان الکتریکی با فرکانس خاصی به سیم وارد می‌شود، یک میدان مغناطیسی تولید می‌شود و باعث تغییر جهت دامنه‌های هسته می‌شود که خود را در امتداد جهت میدان اعمال شده تراز می‌کنند. این تغییر جهت در هر نیم سیکل پالس ورودی تغییر جهت می‌دهد و باعث تغییر شکل متقابل ماده هسته می‌شود. بنابراین فرکانس دو برابر فرکانس پالس‌ها خواهد بود. رایج‌ترین نوع ترانسدیوسر پیزوالکتریک که ترانسدیوسر لانگوین(Langevin) نامیده می‌شود، شامل عنصر(های) پیزوالکتریک است که بین الکترودها قرار گرفته و توسط جرم‌های (لایه‌های) جلویی و پشتی پیش تنیده شده‌اند. عنصر(های) پیزوالکتریک موج صوتی را در هر دو جهت جلویی و پشتی تولید می‌کند، با این حال عملکرد جرم پشتی، تشویق انتشار موج در جهت رو به جلو است. این امر با استفاده از جرم پشتی با امپدانس صوتی بالاتر از جرم جلویی حاصل می‌شود که انرژی صوتی را به بار منتقل می‌کند.

ترانسدیوسر-التراسونیک

نشان داده شده است که ترانسدیوسر های پیزوالکتریک در زمینه‌های مختلف کاربردهای التراسونیک، ویژگی‌های بهتری نسبت به ترانسدیوسر های مغناطیسی-انقباضی ارائه می‌دهند.

برخی مزایای ترانسدیوسر لانگوین(Langevin)

۱- می‌توان با استفاده از یک پیچ مرکزی یا غلاف جانبی، یک پیش‌تنش مکانیکی به عناصر پیزوالکتریک اعمال کرد. این کار امپدانس الکتریکی ترانسدیوسر را کاهش می‌دهد، دامنه تنش دینامیکی تولید شده را افزایش می‌دهد و حداکثر شدت توان را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. همچنین از شکستگی عنصر(های) پیزوالکتریک در نیم سیکل انبساط جلوگیری می‌کند و تماس مکانیکی بین قطعات ترانسدیوسر را بهبود می‌بخشد که به نوبه خود، تلفات مکانیکی را کاهش می‌دهد.

۲- مواد پیزوالکتریک ظرفیت حرارتی ضعیفی دارند که توسط توده‌های فلزی که به عنوان هیت سینک عمل می‌کنند جبران می‌شود. بنابراین، پیکربندی لانگوین به ترانسدیوسر این امکان را می‌دهد که در فرکانس بالاتری که می‌تواند دمای بالایی ایجاد کند، کار کند.

لطفاً برای اطلاعات بیشتر به مقاله اصلی مراجعه فرمایید[1].