Meranie parametrov elektroakustického meniča

DIPLOMOVÁ PRÁCA

JOZEF PROKŠA

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií

Štúdijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci diplomovej práce: Ing Linda Reseteričová

doc. Ing. Vladimír Hottmar PhD.

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)

Dátum odovzdania diplomovej práce: 18.05.2007

ŽILINA 2007

ABSTRAKT:

Diplomová práca sa zaoberá problematikou ultrazvukových elektroakustických

meničov jej teoretickým rozpracovaním a experimentom, ktorého cieľom je zmeranie

a overenie parametrov uvedeného meniča v dvoch aspektoch. V prvom prípade

o zmeranie vplyvu zmeny frekvencie na jeho impedanciu a v druhom prípade o overenie

vplyvu statického predpätia. Tento experiment je realizovaný v laboratórnych priestoroch

Katedry materiálového inžinierstva Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity, pre ktorú je

tento projekt realizovaný.

ABSTRACT:

Diploma work resolves problem of ultrasonic electroacoustic transducers,

teoretically and experimentally. Experiment has goal, to measure and verify parameters

of introduced transducer in two aspects. Primarily, to measure effect of wobbling

frequency to resistance of transducer, in the second case, to verify effect of change

mechanical preloading. This experiment is realized at Department of material

engineering’s laboratories which is at Faculty of Mechanical Engineering at Univerzity

of Zilina. This project is realized Department of material engineering.

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická faku lta,

Katedra telekomunikácií

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko a meno: Prokša Jozef školský rok: 2006/2007

Názov práce: Meranie parametrov elektroakustického meniča

Počet strán: Počet obrázkov: 15 Počet tabuliek: 1

Počet grafov: 6 Počet príloh: Použitá lit.: 10

Anotácia (slov. resp. český jazyk): Diplomová práca sa zaoberá problematikou

ultrazvukových elektroakustických meničov, jej teoretickým rozpracovaním

a experimentom, ktorého cieľom je zmeranie parametrov a overenie vlastností uvedeného

meniča. Tento experiment je realizovaný v laboratórnych priestoroch Katedry

materiálového inžinierstva Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity.

Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): Diploma work resolves

problem of ultrasonic electroacoustic transducers, teoretically and experimentally.

Experiment has goal, to measure parameters and to verify properties of introduced

transducer. This experiment is realized at Department of material engineering’s

laboratories, which is at Faculty of Mechanical Engineering at Univerzity of Zilina.

Kľúčové slová: elektrostrikcia, piezokeramika, rezonančná frekvencia, impedancia,

statické predpätie, ultrazvuk, menič

Vedúci práce: Ing. Linda Reseteričová; doc.Ing. Vladimír Hottmar PhD.

Recenzent práce : Prof. Ing. Peter Palček CSc.

Dátum odovzdania práce: 18.5.2007

Obsah:

1 Úvod.............................................................................................................9

2 Ultrazvukové elektroakustické meniče.......................................................11

2.1 Typy a rozdelenie ultrazvukových elektroakustických meničov...............................11

2.2 Magnetostrikčné meniče............................................................................................11

2.2.1 Magnetostrikcia a magnetostrikčné materiály.....................................................11

2.3 Piezoelektrické meniče..............................................................................................13

2.3.1 Piezoelektrina a elektrostrikcia............................................................................14

2.3.2 Piezoelektrické materiály, meniče a ich vlastnosti..............................................15

2.3.3 Elektromechanické vlastnosti piezoelektrických meničov..................................20

2.3.4 Výkonové ultrazvukové piezoelektrické meniče typu Langevin.........................22

2.3.5 Náhradný obvod piezoelektrického meniča.........................................................23

2.3.6 Prispôsobenie piezoelektrického meniča k napájaciemu generátoru...................25

2.3.7 Energetické pomery ultrazvukového výkonového sendvičového meniča...........26

2.3.8 Výkonové ultrazvukové kmitavé sústavy s piezoelektrickými sendvičovými

meničmi ...............................................................................................................27

2.4 Vlastnosti a použitie ultrazvukových elektroakustických meničov...........................33

3 Experimentálna časť...................................................................................36

3.1 Mechanická konštrukcia analzyzovaného elektroakustického meniča......................36

3.2 Popis meraní a výsledky experimentálnych prác.......................................................37

3.2.1 Meranie rezonančnej frekvencie a impedancie v závislosti od zmeny statického

predpätia ..............................................................................................................38

3.2.2 Meranie rezonančných charakteristík meniča v závislosti od zmeny statického

predpätia...............................................................................................................41

4 Záver...........................................................................................................45

5 Zoznam použitej literatúry..........................................................................47

Zoznam obrázkov a tabuliek

Obr.2.1. Priebeh kmitania magnetostrikčného meniča bez predmagnetizácie

a s predmagnetizáciou

Obr.2.2. Závislosť relatívneho predĺženia ε od intenzity elektrického poľa E na

keramike titanátu bária

Obr.2.3. Orientácia elektrických dipólov v piezokeramike

Obr.2.4. Náhradný elektrický obvod piezoelektrického meniča

Obr.2.5. Náhradný elektromechanický obvod piezoelektrického meniča

Obr.2.6. Sady rôznych druhov vlnovodov určených pre ultrazvukové aplikácie

Obr.2.7. Sada sendvičových meničov rôznych výkonov určených pre tuhé

prostredie

Obr.2.8. Sada sendvičových meničov rôznych výkonov určených na ožarovanie

kvapalín

Obr.2.9. Ultrazvukový piezoelektrický menič pre plynné prostredie a aerosoláciu

s radiálne kmitajúcou membránou.

Obr.2.10. Ultrazvukové sendvičové meniče prilepené na dno čistiacej vane

Obr.2.11. Rôzne druhy piezoelektrických hlavíc určených na ultrazvukové

zváranie a obrábanie

Obr.3.1. Výkonový ultrazvukový piezokeramický menič

Obr.3.2. Meranie rezonančnej frekvencie a impedancie v závislosti od

zmeny statického predpätia piezokeramických dosiek Obr.3.3. Grafické zobrazenie priebehu rezonančnej impedancie v závislosti od

statického predpätia piezokeramických dosiek

Obr.3.4. Grafické zobrazenie priebehu rezonančnej frekvencie v závislosti od

statického predpätia piezokeramických dosiek

Obr.3.5. Meranie rezonančných charakteristík meniča v závislosti

od zmeny statického predpätia piezokeramických dosiek

Obr.3.6. Konštrukčné riešenie zariadenia na snimanie meranej veličiny Upu

Obr.3.7. Grafické zobrazenie priebehu Ua v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 172 mV

Obr.3.8. Grafické zobrazenie priebehu Ua v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 3,4 V

Obr.3.9. Grafické zobrazenie priebehu Upu v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 172 mV

Obr.3.10. Grafické zobrazenie priebehu Upu v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 3,4 V

Tab.3.1. Namerané hodnoty rezonančnej frekvencie a impedancie v závislosti od

zmeny statického predpätia

Zoznam skratiek a symbolov

∆l/l - relatívne predĺženie

ε - mechanická (statická) deformácia

H - intenzita magnetického poľa

H0 - predmagnetizácia

λ - vlnová dĺžka

E - intenzita elektrického poľa

d33 - piezoelektrická konštanta

k - elektromechanický väzbový súčiniteľ

f - frekvencia

E0 - elektrické pole vytvárajúce polarizáciu

Em - mechanická energia

Ee - elektrická energia

dik - piezoelektrický súčiniteľ označujúci nepriamy piezoelektrický jav

hik - piezoelektrická deformačná konštanta charakterizujúca priamy piezoelektrický jav

gik - piezoelektrická tlaková konštanta

εd - dielektrická konštanta

(Ep, Gp) - modul pružnosti

RLC - elektrický sériový kmitavý obvod

Cs - statická kapacita

νp - transformačný faktor

R - elektrický odpor

Rm - mechanický odpor

L - indukčnosť

m - hmotnosť

C - kapacita

cm - poddajnosť

ρ - hustota

Z - impedancia

Y - admitancia

fs - frekvencia zodpovedajúca sériovej rezonancii

fp - frekvencia zodpovedajúca paralelnej rezonancii

Ls - indukčnosť (sériová kompenzácia)

Lp - indukčnosť (paralelná kompenzácia)

Ce - kapacita (Ce = Cs + C)

ηea - elektroakustická účinnosť

ηem - elektromechanická účinnosť

ηma - mechanickoakustická účinnosť

P - akustický výkon prenesený do ožarovaného prostredia

Pe - elektrický budiaci výkon

|Z| - modul impedancie

°ϕ - fázový posun

Uvst. – vstupné napätie

PC - osobný počítač

Upu – napäťový obraz prúdu meniča

Ua – vstupné budiace napätie meniča

1 Úvod

Elektroakustické meniče sú vo všeobecnosti zariadenia, v ktorých dochádza

k premene elektrickej energie na akustickú alebo naopak.

Na základe požiadavky o riešenie problematiky elektroakustického meniča,

s ktorou sa obrátila Katedra Materiálového Inžinierstva na Katedru Telekomunikácií, som

sa rozhodol venovať tejto téme. K tomuto rozhodnutiu ma viedlo aj to, že počas štúdia na

Elektrotechnickej fakulte Žilinskej univerzity som sa stretol s problematikou

elektroakustických meničov a mohol som nadobudnuté vedomosti a poznatky z tejto

oblasti využiť a uplatniť pri riešení tohoto zadania.

Táto práca si kladie za cieľ ponúknuť nielen teoretický rozbor problematiky

elektroakustického meniča s poukázaním na jeho dominantné vlastnosti, ale jej súčasťou

je aj experiment, ktorého účelom bolo zmeranie a overenie parametrov

elektroakustického meniča . Úlohy, ktoré boli stanovené tomu experimentu, možno

obecne definovať nasledovne:

- zmeranie vplyvu zmeny frekvencie na celkovú impedanciu Z

elektroakustického meniča.

- overenie vplyvu zmeny statického predpätia na impedanciu Z

elektroakustického meniča.

V súčastnej dobe poznáme rôzne typy elektroakustických meničov, ich parametre

a vlastnosti sa však v značnej miere líšia od charakteru oblasti použitia jednotlivého

zariadenia. Z hľadiska toho, že skúmaný elektroakustický menič patrí do kategórie

výkonových ultrazvukových piezoelektrických meničov, je v diplomovej práci venovaný

podstatne väčší priestor a vo väčšom rozsahu je rozoberaná problematika

piezoelektrického efektu a javov s tým súvisiacich.

Rozvoj pravé v tejto oblasti sa datuje od okamihu, kedy bratia Pierre a Jacques

Curieoví zistili pri prvých sústavne vedených pokusoch na kryštáli turmalína povrchové

náboje vzniknuté pri stlačení kryštálu v určitých smeroch. Takto vznikajúca elektrická

polarizácia, vyvolaná účinkom deformácie, bola onedlho nato nazvaná Hankelom

piezoelektrinou. Pierre a Jacques Curieoví objavili čoskoro i druhú stránku

piezoelektrického javu, spočívajúcom vo vyvolaní mechanickej deformácie kryštálu

elektrickým poľom a zistili, že piezoelektrické vlastnosti vykazujú okrem turmalínu aj

kryštály kremeňa, kyseliny vínnej a ďalších.

V priebehu ďalších 15 rokov sa skupina fyzikov snažila objasniť a na základe

termodynamických princípov presne formulovať teóriu piezoelektriny. To sa v plnom

rozsahu podarilo W. Voigtovi. Praktické využitie piezoelektrického javu dalo na seba

čakať ešte viac než ďalších 20 rokov. Až v roku 1917 najprv Langevin využil

piezoelektrických vlastností kremenných doštičiek pri konštrukcií hĺbkomera k budeniu

ultrazvukových vĺn v morskej vode. V roku 1921 potom W. G. Cady uverejnil prvú

publikáciu o piezoelektrických rezonátoroch a o dva roky neskôr nezávisle W. G. Cady

a G. W. Pierce použili piezoelektrické rezonátory pri stabilizácii frekvencie

vysokofrekvenčných oscilátorov. Piezoelektrické rezonátory sa skoro potom stali

najčastejšie používaným prvkom, využívajúci piezoelektrických vlastností kryštálov.

Štúdiu piezoelektrických látok a štúdiu vlastností rôznych elementov vyžívajúcich

týchto vlastností sa venovalo mnoho vedcov, z ktorých sa o rozvoj piezoelektriny

zaslúžili A. Šubnikov, ktorý v bývalom Sovietskom zväze študoval kryštalografiu

kremeňa a položil tiež základy k príprave piezoelektrických textúr. W. P. Mason, využil

piezoelektrické rezonátory pri konštrukcii frekvenčných filtrov, R. Bechmann, ktorý

študoval frekvenčné spektrum piezoelektrických rezonátorov, teplotnú závislosť ich

rezonančnej frekvencie a vlastnosti nových piezoelektrických materiálov, I. Koga, ktorý

mnoho svojich prác venoval teoretickému a experimentálnemu štúdiu kmitov

piezoelektrických doštičiek, R. D. Mindlin, ktorý najmä po druhej svetovej vojne

priniesol celú radu nových myšlienok do teoretického riešenia viazaných kmitov, najmä

pravouhlých piezoelektrických doštičiek a R. Holland, ktorý značnou mierou prispel

k vyjadreniu elektrického náhradného obvodu zložitých viac elektródových štruktúr

realizovaných na piezoelektrických materiáloch [1].

2 Ultrazvukové elektroakustické meniče

2.1 Typy a rozdelenie ultrazvukových elektroakustických meničov

Ultrazvukové elektroakustické meniče sú prevodníky, v ktorých nastáva premena

elektrickej energie na akustickú alebo naopak. Túto energiu vyžarujú vo funkcii

vysielačov do prostredia – pre technologické účely alebo ju prijímajú ako prijímače – na

meranie a kontrolné účely technologických procesoch. Na základe ich fyzikálnej podstaty

a konštrukčného vyhotovenia ich rozdeľujeme do nasledovných skupín:

- magnetostrikčné

- piezoelektrické

- elektrodynamické

- elektromagnetické

2.2 Magnetostrikčné meniče

Tieto meniče využívajú magnetostrikčný jav vo feromagnetických materiáloch na

premenu elektrickej kmitavej energie na mechanickú kmitavú energiu alebo naopak.

Pracovné podmienky magnetostrikčného meniča volíme podobne ako pri ostatných

meničoch v jeho rezonančnej oblasti. To znamená, že frekvencia napajajúceho prúdu

musí zodpovedať mechanickej rezonančnej frekvencii použitého magnetostrikčného

meniča [2].

2.2.1 Magnetostrikcia a magnetostrikčné materiály

Feromagnetické materiály ako železo, nikel, kobalt a ich zliatiny, menia

pôsobením magnetického poľa nezávisle od jeho smeru svoje rozmery. To znamená, že

tyč z feromagnetického materiálu sa v smere magnetického poľa predĺži alebo skráti a to

od druhu použitého materiálu a veľkosti intenzity magnetického poľa. Uvedený jav

nazývame magnetostrikciou.

Pri predĺžení hovoríme o kladnej, pri zmrštení o zápornej magnetostrikcii. Je

známy aj magnetostrikčný opačný jav, ktorý spočíva v zmene magnetizácie

feromagnetickej tyče v magnetickom poli a pôsobením napätia na tyč v ťahu, alebo

v tlaku. Využíva sa v meničoch na príjem ultrazvukovej energie, meranie elastických

vlastností materiálov a skúšanie fyzikálnych vlastností vibračných systémov vo

frekvenčnom pásme 10-100 kHZ. Na podstate týchto javov spočíva princíp činnosti

všetkých magnetostrikčných meničov [3].

Do skupiny magnetostrikčných materiálov patria všetky feromagnetické kovy,

vrátane mnochých zliatin, aj nekovové látky-ferity. Magnetostrikčné materiály sa líšia

medzi sebou veľkosťou a znamienkom magnetostrikcie, mechanickými a elektrickými

vlastnosťami. Tieto vlastnosti závisia okrem zloženia aj od predchádzajúceho spôsobu

spracovania materiálu.

Okrem uvedených vlastností, daných zväčša zložením a výrobou niektoré

magnetostrikčné materiály sú viac menej citlivé na zmeny teploty. Zvyšovaním teploty sa

menia ich magnetické a elastické parametre. Teplotný rozsah zmien je ohraničený

známym Curieho bodom, pri ktorom feromagnetický materiál stráca svoje magnetické a z

nich vyplývajúce magnetostrikčné vlastnosti.

Magnetostrikčné vlastnosti materiálov charakterizujú magnetostrikčné krivky,

čiže závislosti relatívneho predĺženia ∆l/l = ε statickej deformácie od intenzity

magnetického poľa H. Statická deformácia ε sa nemení lineárne s intenzitou

magnetického poľa H. Pri určitej veľkosti magnetického poľa H dosahuje maximálnu

hodnotu – nasýtenú magnetostrikciu. Pri danom materiály jej veľkosť v značnej miere

ovplyvňuje amplitúdu výchylky meničov, a tým aj intenzitu akustického poľa. V lineárnej

časti magnetostrikčnej charakteristiky sú najoptimálnejšie podmienky pre voľbu

pracovného bodu – predmagnetizácie H0 [2].

εεεε εεεε

εεεεm

εεεεm H t

Hm Hm

H0

0 0

1

1

2

2

Obr.2.1. Priebeh kmitania magnetostrikčného meniča bez predmagnetizácie

a s predmagneti- záciou , 1- priebeh s predmagnetizáciou, 2 – priebeh

bez predmagnetizácie

2.3 Piezoelektrické meniče

Piezoelektrické meniče, ktoré patria do skupiny elektromechanických meničov, sa

dnes vo veľkej miere používajú na generovanie a prijímanie ultrazvukových kmitov. Pri

týchto meničoch je premena elektrickej energie na mechanickú podmienená špecifickými

vlastnosťami niektorých v prírode sa vyskytujúcich látok. Túto premenu označujeme ako

piezoelektrický jav.

Piezoelektrické vlastnosti majú napríklad prírodné kryštály nerastov ako napríklad

kremeň, turmalín, Seignettova soľ. Okrem prírodných látok majú piezoelektrické

vlastnosti aj umelo vytvorené kryštály, ako sú napríklad metaniobát olova, niobát lítia,

lítiumsulfát a iné.

Veľký význam pre technické využitie majú meniče z polykryštalických látok,

ktoré sú vyrábané technológiou klasických keramických materiálov z práškových surovín.

Najznámejšie polykryštalické keramické materiály sú báriumtitanát, zirkonáttitanát olova

a metaniobát olova. Na základe ich elektrostrikčného javu ich nazývame feroelektrika.

Ide o analogický jav s magnetostrikciou pri feromagnetikách. Navonok sa však takéto

meniče správajú ako piezoelektrické [2].

2.3.1 Piezoelektrina a elektrostrikcia

Pri mechanickej deformácii prírodných kryštálov vzniká na ich povrchu elektrický

náboj, ktorého veľkosť je priamo úmerná uvedenej deformácii. Tento jav označujeme ako

piezoelektrický jav.

Piezoelektrické kryštály, ktorých ióny vytvárajú kryštálovú mriežku sú

usporiadané tak, že pri deformácii kryštálu sa záporné a kladné ióny posunú, tak, že

každý element kryštálu získa elektrický dipólový moment a na povrchu kryštálu vznikne

náboj. Ťah pri deformácii vyvolá náboj opačnej polarity ako by vyvolal tlak [4].

Ak pri deformácia kryštálu vznikne elektrický náboj, hovoríme o priamom

piezoelektrickom jave. Tento jav je však vratný, čiže ak privedieme na povrch kryštálu

náboj, kryštál sa deformuje. Vtedy hovoríme o recipročnom alebo nepriamom

piezoelektrickom jave.

Pri polykryštalických javoch ako je napríklad piezokeramika zo zirkonáttitanátu

olova alebo báryumtitanátu už nemožno hovoriť o bežných piezoelektrických

vlastnostiach. V polykryštalickej látke pôsobením jednotlivých drobných kryštálov, ktoré

sú v látke orientované rôznymi smermi, sa ich piezoelektrické vlastnosti vzájomne rušia.

V tomto prípade hovoríme o indukovanom piezoelektrickom jave a nazývame ho

elektrostrikciou.

Elektrostrikčné vlastnosti piezokeramík môžeme vysvetliť [5] dvoma

rovnocennými vlastnosťami látok: Seignettoelektrinou, podľa Seignettovej soli

s piezoelektrickými vlastnosťami, a feroelektrinou.

Feroelektrická keramika sa vyznačuje výraznou remanentnou polarizáciou, ktorú

môžeme umelo vyvolať a udržať. Po polarizácii sa jej vlastnosti podobajú

piezoelektrickým a menič z nej vyrobený sa správa ako piezoelektrický menič. Takúto

elektrostrikčnú keramiku často označujeme ako piezokremika.

2.3.2 Piezoelektrické materiály, meniče a ich vlastnosti

Piezoelektrický jav sa vyskytuje pri látkach s určitou kryštalickou stavbou.

Dnes poznáme viac ako 300 druhov rozličných materiálov s týmito vlastnosťami.

Keď na kovové elektródy kremennej platničky privedieme striedavé

vysokofrekvenčné napätie, môžeme preladením napájacieho generátora ľahko zistiť rôzne

rezonančné frekvencie kmitov platničky. Medzi nimi sa nachádza aj základná rezonančná

frekvencia pre hrúbkové kmity platničky s hrúbkou λ/2, kde λ = dĺžka vlny.

Striedavé elektrické napätie v jednej pol perióde výbrus platničky zúži a v druhej

rozšíri, čo zodpovedá striedaniu polarizácii na elektródach. Takto menič kmitá v rytme

frekvencie napájajúceho napätia. Amplitúda výchylky bude maximálna, ak ho budíme

v jeho mechanickej rezonancii. Jej veľkosť je obmedzená mechanickou pevnosťou

kremennej platničky. Po jej prekročení sa výbrus meniča mechanicky poruší, praská. To

isté platí aj o meničoch z piezokeramiky.

Deformácia spojená s kmitaním piezoelektrického meniča z kremeňa je

v lineárnom vzťahu s intenzitou budiaceho elektrického poľa E.

Ed33=ε (2.1)

Piezoelektrická konštanta d33 je pri kremeni veľmi malá, podobne ako

elektromechanický väzbový činiteľ k. Na druhej strane sa kremenný menič vyznačuje

veľkou mechanickou pevnosťou, chemickou pevnosťou, chemickou odolnosťou a malou

tepelnou závislosťou piezoelektrických vlastností a rezonančnej frekvencie. Pre svoje

takmer nemerateľné elektrické straty je osobitne vhodný a prakticky nenahraditeľný pre

vysoké frekvencie (nad 1 MHz). Preto sa používa v oznamovacej technike pri výrobe

vysokostabilných oscilátorov a filtrov. Kryštálový menič má veľký vstupný odpor, čo je

dané jeho malým elektromechanickým väzbovým činiteľom k a príslušnými

piezoelektrickými konštantami. Preto na dosiahnutie požadovanej ultrazvukovej intenzity

je potrebné privádzať pri výkonových meničoch z kremeňa napätie v rozsahu 1 až 10 kV,

čo spôsobuje pri ultrazvukových žiaričoch mnohé ťažkosti [2].

V ostatných rokoch si popredné miesto v ultrazvukovej technike vydobyli nové

polykryštalické materiály na báze keramiky, z ktorých sa dajú realizovať rôzne tvary

meničov v závislosti od ich použitia, čo nebolo možné pri monokryštálových materiáloch.

Keramická výroba syntetických piezoelektrických materiálov je z hľadiska hromadnej

výroby pomerne lacná a umožňuje rozvíjať materiálový a tvarový vývoj

piezoelektrických meničov. Okrem toho tieto materiály majú lepšie piezoelektrické

vlastnosti. Napríklad na vytvorenie tej istej intenzity vyžarovaného ultrazvukového

vlnenia stačí priviesť až 100-krát menšie napätie ako vtedy, ak použijeme kremeň [4].

Polykryštalické keramické materiály patria do skupiny feroelektrických

materiálov, pri ktorých sa vyskytuje elektrostrikčný jav. Deformácia ε, ktorá je vyvolaná

pôsobením elektrického poľa s intenzitou E medzi elektródami na piezokeramickom

meniči je

2

33Ed=ε (2.2)

kde d33 je piezoelektrická konštanta závislá od druhu materiálu.

Deformácia ε pri meničoch z polykryštalických materiáloch rastie oproti

kremenným materiálom so štvorcom intenzity elektrického poľa E. Preto na ich napájanie

môžeme použiť menšie napätie ako v prípade kremenných materiálov, kde ε rastie

lineárne s E [6].

V podstate sa polykryštalická keramika skladá z elementárnych kryštálových

mriežok. V Curieho bode stráca elektrostrikčné vlastnosti. Hoci pri nižších teplotách ako

je Curieho bod sa jednotlivé mriežky správajú ako elektrické dipóly s elektrostrikčnými

vlastnosťami, keramika sa javí ako elektricky neutrálna, pretože dipóly sú v nej

orientované chaoticky a ich účinok sa navzájom ruší.

Ak z piezokeramiky vytvoríme kruhovú platničku, ktorej obidve plochy budú

postriebrené, privedením jednosmerného napätia na elektródy vznikne v materiály určitá

intenzita elektrického poľa, ktorej veľkosť je úmerná veľkosti privedeného napätia.

Vplyvom elektrického poľa sa začnú predtým chaoticky orientované elektrické dipóly

natáčať do smeru poľa (podobne, ako domény pri magnetostrikcii). Súčasne s orientáciou

dipólov v disku vzniká aj mechanická deformácia. Keďže elektrostrikčná deformácia je

priamo úmerná štvorcu intenzity elektrického poľa, znamienko deformácie je nezávislé

od zmyslu elektrického poľa. Závislosť relatívneho predĺženia od intenzity elektrického

poľa je charakteristická motýľová krivka hysterézneho materiálu (Obr.2.2.). Ak na disk

privedieme harmonicky premenné napätie s frekvenciou f, disk bude kmitať mechanickou

frekvenciou 2f, pričom vplyvom hysterézy vznikajú v disku veľké straty.

Obr.2.2. Závislosť relatívneho predĺženia ε od intenzity elektrického poľa E na

keramike titanátu bária

Ak striedavé elektrické pole s frekvenciou f superponujeme na jednosmerné pole

s intenzitou E0, vyvolávajúce polarizáciu elementárnych dipólov, v keramike vzniknú

mechanické kmity s frekvenciou f. To znamená, že ak na elektródy disku privedieme

jednosmerné polarizačné napätie, disk môžeme použiť vo funkcii ultrazvukového meniča.

V praxi by bolo veľmi nevýhodné privádzať na menič pomerne vysoké napätie potrebné

na vytvorenie polarizačného poľa. Preto sa pri piezokeramických meničoch vytvára

a využíva zvyšková (remanentná) polarizácia, ktorá vznikne v meniči po vytvorení

silného elektrického poľa. Uvedená polarizácia je pri elektrostrikčných meničoch

analogická s predmagnetizáciou pri magnetostrikčných meničoch. Pri Curieho teplote

strácajú elektrostrikčné meniče polarizáciu a tým aj kmitavé vlastnosti [5].

t

εεεε

E0 E 0

t

Obr.2.3. Orientácia elektrických dipólov v piezokeramike: (a)chaotická orientácia

pred polarizáciou, (b) po privedení jednosmerného polarizačného

napätia, (c) zvyšková polarizácia po odpojení jednosmerného

polarizačného napätia

Vývoj piezokeramických metariálov začal v minulosti používaním titanátu bárya

BaTiO3. V súčasnosti sa rozvíjajú tuhé roztoky titaničitanu a zirkoničitanu olovnatého

Pb (ZrTi)O3, v praxi nazývame zirkonáttitanátu olova. Pre keramiku zo zirkonáttinanátu

olova je typická vysoká Curieho teplota (330 oC), veľká piezoelektrická konštanta d33,

niekoľkokrát prevyšujúca konštantu báryumtitanátových materiálov, a malé dielektrické

straty v silných elektrických poliach.

Pri výkonových ultrazvukových meničoch sa vyžaduje, aby piezokeramika mala

vysokú pevnosť, akosť a piezovlastnosti, nízke elektrické straty pri vysokých elektrických

intenzitách a minimálny sklon k depolarizácii. Meniče pre meraciu techniku sú zasa

charakterizované vysokou tepelnou stabilitou frekvencie a najväčším väzbovým

činiteľom, ktorý vyjadruje vysokú citlivosť. Ultrazvukové meniče pre obidve oblasti

použitia sa vyrábajú tvarovo rôzne. Najčastejšie sa používajú predovšetkým v tvare

kruhových platní, prstencov a rúr. Budia sa obyčajne na hrúbkovej rezonančnej frekvencii

v rozmedzí vyrábaných hrúbok [2].

Samostatné meniče tohto druhu s hrúbkovými kmitmi sa používajú v meracej

technike a v menšom rozsahu (v oblasti nad 200 kHz) ako ultrazvukové výkonové

vysokofrekvenčné meniče. Pre ultrazvukové aktívne aplikácie, pri ktorých sa vyžadujú

nízkofrekvenčné výkonové meniče v pásme 15 až 50 kHz, sa uvedené keramické meniče

vhodne skladajú spolu s koncovými elementmi a elektródami do sendvičovej konštrukcie,

a b c

čím sa zabezpečí dobrá mechanická väzba, vytvárajú sa veľmi účinné nízkofrekvenčné

meniče.

2.3.3 Elektromechanické vlastnosti piezoelektrických meničov

Aby sme mohli posúdiť správanie meničov s piezoelektrickými vlastnosťami,

musíme sa oboznámiť s niektorými konštantami, ktoré vyjadrujú vzťah medzi ich

elektrickými a mechanickými vlastnosťami.

Dôležitou konštantou je elektromechanický väzbový súčiniteľ k, ktorý vyjadruje

schopnosť premeny elektrickej energie na mechanickú a opačne. Definovaný je obyčajne

svojou druhou mocninou k2, ktorá sa rovná podielu vzniknutej mechanickej energii Em

k celkovej privedenej elektrickej energii Ee pri podstatne vyšších frekvenciách ako je

rezonančná frekvencia.

(2.3)

Vyjadruje sa ako číselný podiel alebo percentuálny údaj. Elektromechanický

väzbový súčiniteľ nehovorí nič o účinnosti spojenej s premenou energie pri kmitaní [4].

Pri výkonových ultrazvukových meničoch alebo vysielačoch ultrazvuku malý

elektromechanický väzbový súčiniteľ signalizuje, že na vyžiarenie tej istej intenzity

ultrazvukovej energie treba priviesť na menič vyššie elektrické budiace napätie.

Skúsenosť potvrdzuje, že pre kremenný menič so súčiniteľom k = 0,1 v porovnaní

s meničom so zirkonáttitanátu olova treba priviesť približne 100-násobne väčšie budiace

napätie. Z hľadiska prijímača získava menič s vyšším súčiniteľom k vyššie elektrické

napätie a považuje sa preto za citlivejší. Okrem iného aj z tohto dôvodu sa meniče

z keramiky zirkonáttitanátu olova používajú v širokom meradle namiesto z kremeňa,

alebo namiesto iných materiálov s menším súčiniteľom k.

e

m

E

Ek =2

Elektromechanický väzbový súčiniteľ k môžeme definovať pre akúkoľvek

orientáciu platničky voči kryštalografickým osiam

ikikhdk =2 (2.4)

kde dik je piezoelektrický súčiniteľ označujúci nepriamy piezoelektrický jav.

Konštanta hik je piezoelektrická deformačná konštanta charakterizujúca priamy

piezoelektrický jav. Ďalšia konštanta, ktorá určuje citlivosť piezomeniča na vonkajší tlak,

je piezoelektrická tlaková konštanta gik, ktorá je zvlášť dôležitá pri voľbe vhodnej

piezokeramiky pre prijímacie sondy určené na účely merania [5,7].

Poznáme dva druhy aplikácií ultrazvukových meničov:

- pri výkonových aplikáciách sa vyžaduje, aby meniče premieňali energiu pri

vysokých deformáciách,

- pri nízkovýkonových aplikáciách v meracej technike sa požaduje vysoká

citlivosť meničov.

Preto pre technologické aplikácie ultrazvuku sa vyžaduje, aby piezokeramický

materiál mal vysokú hodnotu súčiniteľa dik a pre ultrazvukové meranie zase veľkú

konštantu gik . Pre obidve aplikácie je taktiež žiadúca veľká dielektrická konštanta εd

a nízke elektrické a mechanické straty. V podstate však obidve konštanty dik a gik by mali

mať vysoké hodnoty pre obidve spomínané oblasti využitia ultrazvuku, čím by sa

dosiahla optimálna premena elektrickej energie na mechanickú a naopak. Potvrdzuje to

skutočnosť, že elektromechanický väzbový činiteľ k je priamo závislý od uvedených

konštánt a modulu pružnosti Ep podľa vzťahu

pikik Edgk =2 (2.5)

2.3.4 Výkonové ultrazvukové piezoelektrické meniče typu Langevin

Význam a použitie piezoelektrických meničov typu Langevin v sendvičovom

prevedení pre výkonové ultrazvukové aplikácie je najviac rozšírené v technológii.

Predurčujú to jeho vlastnosti a niektoré prednosti pri porovnaní s inými druhmi meničov,

ktoré možno stručne charakterizovať nasledovne:

1. Materiálové náklady na sendvičové meniče sú nízke, pretože sa používajú iba

tenké keramické disky alebo prstence. Výrobné náklady pre pomerne jednoduchú

konštrukciu a nenáročnú technológiu sú taktiež prijateľné.

2. Sendvičový menič sa dá ľahko navrhovať pre ľubovoľnú frekvenciu v

používanom pásme, spájať s ultrazvukovými prenosovými článkami a tým efektívne

prispôsobiť pre akúkoľvek záťaž, resp. technologickú operáciu.

3. Elektroakustická účinnosť sendvičového meniča je vysoká. Pri porovnaní s

magnetostrikčným meničom je približne dvojnásobne vyššia. Aj pri výkonovom budení

dosahuje viac ako 90 %.

4. Výkonová kapacita meniča je vysoká, pričom jeho elektrická impedancia je

nízka, čo uľahčuje prispôsobenie k napájaciemu polovodičovému generátoru.

Základ sendvičovej konštrukcie dnešného piezoelektrického meniča vychádza z

Langevinovho princípu, ktorý ako prvý použil takúto konštrukciu pre vysokofrekvenčný

menič v podmorskej signalizácii už v roku 1917. Ako aktívny piezokeramický materiál

použil v tých časoch jediný dostupný materiál v tvare tenkého kryštálového výbrusu,

ktorý vložil medzi kovové nadstavce a vhodne spojil.

Keď bola neskôr vyvinutá vhodná zirkonáttitánová piezokeramika pristúpilo sa k

preskúmaniu Langevinovho sendviča ako náhrady kryštálu za piezokeramický disk,

s požiadavkou dosiahnuť veľké akustické výkony pre nízkofrekvenčné technologické

aplikácie. Tento cieľ bol dosiahnutý stlačením piezokeramického disku v sendvičovej

konštrukcii určitou silou. Tým sa vytvorila možnosť väčšieho akustického zaťaženia bez

toho, aby nastalo mechanické porušenie kmitajúcich diskov [8].

Vynikajúce vlastnosti sendvičového meniča predurčili jeho široké použitie v

oblasti výkonového ultrazvuku pre technologické účely. Menič však zaznamenal další

Cs

L

C

R

vývoj, sledujúci zvýšenie jeho výkonu. Preto boli úspešne použité dva disky so strednou

(živou) elektródou, pracujúce z hľadiska budenia paralelne v sendvičovom usporiadaní.

Dnes sú už známe prevedenia so štyrmi piezodiskami pre meniče s výkonom nad 1 kW.

Meniče tohto typu v rozličných konštrukčno-technologických prevedeniach,

konštruované podľa Langevinovho princípu, sú v súčasnosti rozšírené vo všetkých

oblastiach výkonového ultrazvuku. Ich výkonová kapacita dosiahla vďaka výsledkom

výskumu hodnoty od 4 do 10 kW. Pre priemyselné ultrazvukové aplikácie sa dnes

vyrábajú a používajú sendvičové meniče vo výkonovom rozsahu 5 W až 8 kW [9].

2.3.5 Náhradný obvod piezoelektrického meniča

Na základe podobnosti mechanických kmitavých obvodov s elektric-

kými, použitím elektromechanickej analógie pri piezoelektrických meničoch, vytvárame

ich náhradné elektrické a elektromechanické obvody. Na takýchto obvodoch potom

môžeme analyzovať vlastnosti mechanických obvodov, metódami používanými pri riešení

elektrických obvodov.

V rezonancii a jej blízkom okolí sa piezoelektrický menič správa ako elektrický

sériový kmitavý obvod RLC s paralelne pripojenou statickou kapacitou meniča Cs

Statická kapacita Cs, predstavuje kondenzátor, ktorého kapacita závisí od hrúbky meniča,

permitivity piezoelektrického materiálu a plochy elektród. Sériový obvod RLC

predstavuje pohybovú zložku meniča, ktorého vlastnosti nás často v praxi zaujímajú.

Obr.2.4. Náhradný elektrický obvod piezoelektrického meniča

Cs

m

cm

Rm

1:2 νp

Okrem elektrického nahradného obvodu sa často používa elektromechanický

náhradný obvod, ktorý lepšie vystihuje vlastnosti a správanie najmä výkonových

ultrazvukových meničov.

Pri týchto náhradných obvodoch sa prostredníctvom transformačného faktoru νp

menia elektrické hodnoty náhradných prvkov na mechanické hodnoty. V dôsledku toho sa

elektrický odpor R transformuje na mechanický odpor Rm, indukčnosti L zodpovedá

hmotnosť m (hustota ρ) a kapacite C poddajnosť cm (modul pružnosti Ep, Gp) [7].

Obr.2.5. Náhradný elektromechanický obvod piezoelektrického meniča

Analýzou náhradných obvodov meniča ako aj meraním frekvenčných závislostí

impedancie, zistíme v oblasti rezonancie mimo iných dve význačné rezonančné

frekvencie, zodpovedajúce sériovej a paralelnej rezonancii [4].

Sériová rezonancia sa vyznačuje maximálnou admitanciou Y a minimálnou

impedanciou Z, určená je vzťahom

LCf s π2

1= (2.6)

Paralelná alebo antirezonančná rezonancia, charakteristická minimálnou

admitanciou Y a maximálnou impedanciou Z, je druhou rezonanciou, kde sa uplatní vplyv

statickej kapacity, určená je vzťahom

s

sp LCC

CCf

+=

2

1 (2.7)

2.3.6 Prispôsobenie piezoelektrického meniča k napájaciemu generátoru

Sendvičový piezoelektrický menič sa môže optimálne prispôsobiť k napájaciemu

generátoru na rôznej frekvencii medzi rezonančnou a antirezonančnou frekvenciou.

Závisí to od vnútornej impedancie (admitancie) zdroja napájacieho napätia (prúdu) a od

zapojenia a hodnoty indukčnosti potrebnej pre kompenzáciu kapacity meniča.

Ak sa použije sériová kompenzácia, to znamená, že do série s meničom sa zapojí

indukčnosť s hodnotou:

es

sCf

L2)2(

1

π=

(2.8)

kde Ce = Cs + C , zároveň ak použijeme pomerne vysokú vnútornú impedanciu zdroja

budiaceho napätia, menič bude pracovať na antirezonančnej frekvencii.

Ak paralelne k meniču napojíme indukčnosť s hodnotou:

(2.9)

a naviac použijeme veľkú vnútornú admitanciu zdroja budiaceho prúdu, menič bude

pracovať na svojej sériovej rezonančnej frekvencii [2].

epp

CfL

2)2(

1

π=

Pri prispôsobovaní meniča bez záťaže na generátor musíme dbať na to, aby sme

neprekročili pri kmitaní jeho dovolené mechanické namáhanie, a tak predišli možnej

deštrukcii.

2.3.7 Energetické pomery ultrazvukového výkonového sendvičového meniča

Najdôležitejším parametrom každého výkonového piezokeramického meniča je

jeho elektroakustická účinnosť ηea, ktorá charakterizuje jeho najzákladnejšiu vlastnosť pri

premene energie, určená je vzťahom

[ ]%

eea P

P=η (2.10)

kde P je akustický výkon prenesený do ožarovaného prostredia a Pe je elektrický budiaci

výkon.

Celková elektroakustická účinnosť ηea sa skladá z dvoch zložiek: z elektromecha-

nickej ηem a mechanickoakustickej ηma. Jednotlivé zložky vyjadrujú, aká časť elektrickej

energie sa premení na mechanickú energiu a aká časť mechanickej energie sa premení na

akustickú energiu vyžiarenú do prostredia [2]. Výsledná elektroakustická účinnosť ηea je

potom následne daná súčinom týchto dvoch čiastkových účinností

maemea ηηη = (2.11)

2.3.8 Výkonové ultrazvukové kmitavé sústavy s piezoelektrickými sendvičovými

meničmi

Rôznorodé technologické využívanie ultrazvukovej energie získanej

prostredníctvom ultrazvukových piezokeramických meničov v sendvičovej podobe

usmernilo aj ich konštrukčný vývoj tromi smermi, a to s určením pre tuhé, kvapalné

a plynné prostredie. V ich konštrukčnom riešení je realizované mechanicko – akustické

prispôsobenie technologického procesu ako záťaže pre daný typ sendvičového meniča.

Konštrukčné riešenie jednotlivých druhov závisí od ich určenia, pričom sa

využíva predovšetkým princíp sendvičového meniča a radiálno – hrúbkové kmitanie

piezoelektrických kruhových dosiek.

Ultrazvuková kmitavá sústava s vysokým ultrazvukovým špecifickým výkonom

pre ultrazvukové aplikácie určené najmä pre tuhé prostredie, sa skladá obyčajne z troch

častí:

- ultrazvukového meniča sendvičového typu

- ultrazvukového prenosového článku (vlnovodu)

- mechanického transformátora amplitúdy výchylky (koncentrátora, nástroja).

Všeobecne aby ich bolo možné pevne spájať a aby spoločne vytvorili kmitavú

sústavu s požadovanými vlastnosťami, všetky tieto tri časti musia spĺňať nasledujúce

podmienky:

- rovnaká rezonančná frekvencia pri dĺžke členov λ/2

- splnenie požiadavky pokiaľ ide o vysoký výkon a vysokú účinnosť premeny

a prenosu ultrazvukovej energie do požadovaného miesta technologickej

operácie

- také riešenie z konštrukčného a technologického hľadiska, ktoré umožní

nenáročným spôsobom vytvoriť jeden celok, teda ultrazvukovú kmitavú

sústavu, vystupujúcu ako samostatná výrobná a používateľská jednotka.

Obr.2.6. Sady rôznych druhov vlnovodov určených pre ultrazvukové aplikácie

Takéto riešenie ultrazvukovej kmitavej sústavy umožňuje v podstate jej širšie

využitie pri rôznych technologických aplikáciách ultrazvuku. Najdôležitejším členom

celej sústavy je ultrazvukový sendvičový menič.

Ultrazvukové sendvičové meniče a kmitavé sústavy určené pre tuhé prostredie sú

v prevádzke značne výkonovo zaťažené. V pomerne malom objeme aktívneho

piezokeramického materiálu sa premieňa veľká elektrická energia na mechanickú. Preto

si musíme pri používaní a prevádzke celej kmitavej sústavy osobitne všímať pevnostné

a tepelné pomery, ktoré podstatne ovplyvňujú spoľahlivosť a životnosť celej sústavy,

najmä však meniča.

Výkonový rozsah ultrazvukových kmitavých sústav s meničmi v sendvičovom

usporiadaní sa pohybuje v rozsahu od 5 W do 8 kW. Na koncoch koncetrujúcich článkov

sa dosahujú intenzity ultrazvukového poľa až 1.104 kW.m-1 s amplitúdami výchyliek 70

až 100 µm, pokiaľ to dovoľuje pevnosť materiálu daného typu koncentrátora alebo

nástroja. Meniče väčších výkonov musia preto obsahovať väčšie objemové množstvo

aktívneho piezokeramického materiálu. Dosahuje sa to zväčšením priemeru kruhových

piezoelementov, alebo použitím väčšieho počtu ich dvojíc [8].

Obr.2.7. Sada sendvičových meničov rôznych výkonov určených pre tuhé

prostredie

Ultrazvukové meniče a kmitavé sústavy treba zabudovať do aplikačných

technologických zariadení a súčasne zabezpečiť ich vhodné upevnenie a chladenie čistým

vzduchom (Obr.3.1.).

Pre individuálne použitie sa používajú hermeticky zapúzdrené ultrazvukové

kmitavé sústavy, ktoré možno prostredníctvom púzdra upevniť v ľubovoľnej polohe.

Ich použitie je možno rozšíriť prostredníctvom koncetrujúcich a prispôsobovacích

článkov na ožarovanie plynných a kvapalných prostredí usmernenou ultrazvukovou

energiou, osobitne s vysokou intenzitou v rôznych technologických oblastiach.

Prenos ultrazvukovej energie do kvapalín sa technicky realizuje pomocou

ultrazvukových kmitavých sústav, ktoré sú dvojakého druhu:

- prírubové, s možnosťou pripevnenia do otvorov na stenách nádoby

- ponorné, hermeticky uzavreté, s možnosťou ponorenia za určitých

predpokladov do ľubovoľnej nádoby s kvapalinou.

Každá takáto kmitavá sústava sa skladá podľa svojho výkonu z určitého počtu

meničov. Tvorí samostatnú jednotku alebo stavebnicový uzol, napájaný pokiaľ možno

samostatným generátorom. Ultrazvukové meniče a kmitavé sústavy ako finálne

technologické uzlové časti môžeme rozdeliť z hľadiska ich použitia na:

- ultrazvukové meniče pre individuálne použitie, alebo použitie v menších

skupinách pripevnených na steny nádob

- ultrazvukové kmitavé sústavy vytvárajúce samostatné veľkoplošné

vyžarovacie sústavy v ponornom alebo prírubovom prevedení.

Ultrazvukové sendvičové meniče a kmitavé sústavy sú dnes napájané výlučne

polovodičovými generátormi s výkonom zodpovedajúcim ich veľkosti a parametrom.

Ultrazvukové sendvičové meniče na ožarovanie kvapalín sa líšia od meničov pre

tuhé prostredie predovšetkým svojím prispôsobením pre kvapaliny, realizovaným

kuželovým tvarom radiátora, ktorého väčšia koncová plocha slúži ako vyžarovacia. Ďalej

sa líšia tým, že pracujú v kontinuálnom režime až s desaťnásobne menším výkonovým

zaťažením. Upevňujú sa lepením a spájkovaním na steny nádob alebo na vyžarovacie

plochy kmitavých sústav.

Obr.2.8. Sada sendvičových meničov rôznych výkonov určených na ožarovanie

kvapalín

Pretože pracujú pri nižších výkonových úrovniach, netreba ich osobitne chladiť.

Tie, čo sú zabudované v ponorných kmitavých sústavách, pracujú pri teplotách kvapalín

až do 90°C.

Ultrazvukové kmitavé sústavy sa líšia rozmermi vyžarujúcich plôch, a teda aj

výkonom, počtom a druhom meničov.

Najmenšie kmitavé sústavy obsahujú 2 až 4 meniče, ich počet sa zvyšuje a pri

najväčších dosahuje počet 12 a viac meničov. Pritom sa vyžaduje, aby všetky meniče,

ktoré pokrývajú v skupinách steny nádob a kmitavých sústav, mali zhodné výkonové

a frekvenčné charakteristiky, pretože všetky sú napájané paralelne zo spoločného

elektrického generátora. Pracujú zväčša vo frekvenčnom pásme 20 až 25 kHz, niekedy aj

vo frekvenčnom pásme 40 kHz [10].

Samostatnú oblasť tvorí menšia skupina ultrazvukových meničov, ktorá využíva

radiálno – axiálnu rezonanciu kruhovej piezoelektrickéj dosky a nevyužíva Langevinov

sendvičový princíp. Kruhové dosky piezokeramických meničov sa prilepujú priamo,

alebo prostredníctvom tenkých väzbových platničiek na dná menších vaní v počte od 1 do

4 kusov. Napríklad piezokeramický diskový menič s priemerom 50 mm a hrúbkou 6 mm

má radiálnu rezonančnú frekvenciu približne 50 kHz a hrúbkovú rezonančnú frekvenciu

350 kHz. Radiálno – axiálne a hrúbkové kmitanie dosky sa prenáša cez tenké dno nádoby

do pracovnej kvapaliny. Tieto kmity sa využívajú pri konštrukcii menších vaní v pásme

od 40 kHz do 50 kHz, a s výkonmi do 50 W na jeden menič a v pásme frekvencií nad

350 kHz.

Ultrazvukové meniče a žiariče s určením pre plynné prostredie sa vyznačujú

značnou rôznorodosťou. V podstate sa tu využíva princíp transformácie pozdĺžnych alebo

radiálnych kmitov meniča s malou amplitúdou na ohybové kmity pomerne rozmernej

membrány s veľkou amplitúdou, ktorá tvorí vhodné prispôsobenie na plynné prostredie.

Membrány môžu byť tenké a rovné, ale aj tvarované a s premennou hrúbkou.

Obr.2.9. Ultrazvukový piezoelektrický menič pre plynné prostredie a aerosoláciu

s radiálne kmitajúcou membránou. (1) piezoelektrický menič,

(2) membrána, (3) rezonančná platnička s obvodovým výstupom,

(4) obvodový stahovací krúžok

Na (Obr. 2.9.) je vyhotovenie kmitavej sústavy, ktoré spočíva na princípe priamej

transformácie radiálnych kmitov piezokeramickej dosky, alebo prstenca prostredníctvom

tenkej väzbovej platničky, alebo obvodového krúžku na ohybové kmity tenkej, mierne

vydutej alebo vypuklej na obvode prichytenej membrány s veľkou amplitúdou výchylky.

Uvedený princíp obvodového budenia membrány poskytuje viac alternatív riešenia

konkrétnych vyhotovení kmitavých sústav. Elektroakustické a prevádzkové parametre

uvedenej konštrukcii kmitavej sústavy sú veľmi zaujímavé a dávajú predpoklad pre rôzne

spôsoby využitia. Napríklad pri budiacom elektroakustickom príkone 3 W až 5W na

frekvenciách 40 kHz a 60 kHz dokáže rozprášiť na jemný aerosol približne 10 litrov vody

za hodinu.

2.4 Vlastnosti a použitie ultrazvukových elektroakustických meničov

Požiadavky, ktoré sú kladené na príslušné ultrazvukové elektroakustické meniče,

sú pri jednotlivých skupinách aplikácií značne odlišné. V praxi sa to rieši ich vhodným

konštrukčným prispôsobením pre rôzne aplikácie a voľbou najvhodnejších druhov

piezoelektrických, alebo magnetostrikčných materiálov. Názory na optimálnu frekvenciu

alebo výkon, ale aj na voľbu najvhodnejšieho druhu meničov z materiálového hľadiska

pre jednotlivé prípady sa však líšia.

Pri ultrazvukovom čistení, ktoré je v priemysle veľmi dôležité a predstavuje

najrozšírenejšiu aplikáciu výkonového ultrazvuku, sa dnes až na malé výnimky pracuje

vo frekvenčnom pásme medzi 16 až 80 kHz, najčastejšie v pásme od 20 do 40 kHz. Na

tieto účely sa používajú piezoelektrické a magnetostrikčné meniče napájané

polovodičovými generátormi. Pre ultrazvukové čistenie nie sú potrebné vysoké

ultrazvukové intenzity, ale sa vyžaduje, aby sa ultrazvuková energia kontinuálne

vyžarovala z čo najväčších plôch. V čistiacich vaniach sa všeobecne nevyžadujú vysoké

intenzity ultrazvukového poľa. Pohybujú sa okolo 1.104 W.m-2. Hlavnú úlohu tu má

kvalita, životnosť a ekonomickosť používaných ultrazvukových elektroakustických

meničov, ktoré by mali mať najmä pre veľkokapacitné čistiace zariadenia najvyššiu

možnú účinnosť, a to najmä z dôvodov šetrenia elektrickou energiou, ale nemenej

dôležitá je aj jeho prevádzková spoľahlivosť. Doterajšie skúsenosti hovoria o tom, že

z hľadiska prevádzkovej spoľahlivosti sú na prvom mieste magnetostrikčné meniče.

Ich cena cena je však v porovnaní s piezokeramickými meničmi vyššia a účinnosť viac

ako o tretinu nižšia. Sú vhodné pre drsné prevádzky s vlhkým a agresívnym prostredím,

s možnosťou zvýšenia maximálnych intenzít aj za cenu ich preťaženia. V závislosti od

konštrukcie žiaričov a ich pracovného režimu vyžadujú však vodné, alebo vzduchové

chladenie.

Obr.2.10. Ultrazvukové sendvičové meniče prilepené na dno čistiacej vane

Z hľadiska účinnosti sú dnes nepochybne na prvom mieste meniče zo

zirkonáttitánovej keramiky, ktorých tepelná stabilita vlastností plne vyhovuje pre všetky

problémy spojené s ultrazvukovým čistením. Keďže pracujú s vyšším napätím ako

magnetostrikčné meniče, musia byť aj určitým spôsobom chránené proti väčšej vlhkosti,

alebo iným drsnejším podmienkam. Musíme počítať aj s tým, že napriek svojej takmer

neobmedzenej životnosti v optimálnych pracovných podmienkach, môže dôjsť k poruche

niektorej z početných piezokeramických kmitavých sústav, ktorá sa musí vymeniť na

čistiacom zariadení. Vhodné riešenie na tieto účely predstavujú ponorné veľkoplošné

kmitavé sústavy umiestnené vo vani.

Obr.2.11. Rôzne druhy piezoelektrických hlavíc určených na ultrazvukové

zváranie a obrábanie

Pre ultrazvukové aplikácie, ako je napríklad ultrazvukové zváranie a obrábanie,

kde sa vyžaduje aplikovať na malé plochy veľké hustoty ultrazvukovej energie, sa

používajú rôzne druhy piezoelektrických a magnetostrikčných hlavíc. Vo výkonovej

ultrazvukovej technike sa bežne používajú pri piezokeramických hlaviciach výkony

do 4kW pri špecifickom zaťažení okolo 500 kW.m-2, prerušovanej prevádzke a účinnosti

okolo 90 až 98 %. Zriedkavejšie je ich použitie s výkonom do 10 kW. Magnetostrikčné

hlavice pre ten istý účel možno zaťažovať viac ako 1 MW.m-2, a to bez rizika ich

porušenia. Napríklad menič s vyžarovacou plochou 16 cm2, ak je dokonale vyrobený

z vhodného magnetostrikčného materiálu, možno trvalo zaťažovať výkonom 2 kW. Jeho

účinnosť je však podstatne nižšia. Pri takýchto vysokozaťažených hlaviciach

vyhotovených z piezokeramiky je potrebné automaticky kompenzovať vplyv zmeny

technologickej záťaže, čím predídeme ich poškodeniu. Výsledným efektom je

automatické udržiavanie konštantnej mechanickej amplitúdy výchylky ultrazvukového

meniča, čo je výhodné aj zo strany aplikácie [2].

Ultrazvukové výkonové piezokeramické hlavice nevyžadujú vždy chladenie , čo

znižuje cenu a zefektívňuje ich prevádzku. Pri magnetostrikčných hlaviciach však

chladenie nemožno vynechať.

Súčasný trend vývoja v tejto oblasti naznačuje, že ultrazvukové hlavice je

z ekonomického hľadiska výhodnejšie vyrábať z piezokeramiky. Vývoj tiež naznačuje, že

pokrok v oblasti vysokokvalitnej piezokeramiky časom vylúči magnetostrikčné materiály

pre ultrazvukové výkonové meniče takmer všetkých druhov, ktoré budú napájané

polovodičovými generátormi.

V oblasti meracej techniky vo frekvenčnom pásme 0,2 až 20 MHz, kde sa pracuje

s veľmi krátkymi impulzmi s dĺžkami niekoľkých vysokofrekvenčných kmitov, musíme

meniče účinne mechanicky tlmiť. Ako tlmiace materiály sa osvedčili syntetické živice

sýtené práškom z ťažkého kovu. Tlmením meniča nevyhnutne klesá jeho citlivosť

a účinnosť. Pre konkrétnu aplikáciu ultrazvukového meniča sa používa vhodný druh

piezokeramiky s potrebným prídavným tlmením a vhodnou úpravou vyžarovacej plochy

meniča.

V tejto oblasti sa vo väčšine prípadov nahradili meniče kryštálu kremeňa meničmi

z piezoelektrickej keramiky. Pre prácu pri vysokých teplotách sa používajú špeciálne

piezoelektrické materiály s vysokou Curieho teplotou a vhodné väzbové prostredia na

vyžarovacej strane meniča.

3 Experimentálna časť

3.1 Mechanická konštrukcia analzyzovaného elektroakustického meniča

Elektroakustický menič sa skladá zo štyroch piezokeramických dosiek s hrúbkou

5,876 mm . Tieto dosky sú umiestnené približne v uzle kmitov celého zloženého

sendvičového meniča polvlnovej dĺžky. Konštrukčné riešenie meniča využíva

predovšetkým princíp hrúbkového kmitania piezokeramických dosiek, ktoré sú

vyhotovené v tvare prstencov.

Vzájomné prepojenie diskov je realizované paralelne prostredníctvom elektród,

ktoré sú opatrené z obidvoch strán striebornými polepmi. Na tieto elektródy sa privádza

elektrické budiace napätie z ultrazvukového generátora. Takéto paralelné zapojenie je

z elektrického hľadiska vhodné preto, že obidve kovové časti môžu byť uzemnené,

pričom pri nižšom elektrickom napätí získame väčší výkon. Prepojenie kovových častí je

realizované prídavnou konštrukčnou úpravou, ktorá zabezpečuje mechanické tlakové

predpätie piezokeramiky. Tým sa pracovný bod jej striedavého mechanického namáhania

posúva výlučne do tlakovej oblasti, v ktorej má piezokeramika vyššiu medzu pevnosti, čo

umožňuje dosiahnúť vysoké ultrazvukové výkony. V konštrukčnom vyhotovení je

zovretie uskutočnené prostredníctvom stredovej skrutky.

Dokonalá mechanická väzba medzi diskami, vývodmi a kovovými časťami je

vytvorená lepením špeciálnymi lepidlami a dokonalým zabrúsením styčných plôch

piezokeramických diskov.

Z konštrukčného hľadiska rozlišujeme kovové časti meniča s ohľadom na ich

funkciu na reflektor a na radiátor.

Vhodným pomerom vlnových odporov kovových častí môžeme dosiahnúť, že

menič kmitá výraznejšie v jednom smere osi, teda v smere radiátora s väčšou amplitúdou

výchylky, prostredníctvom nej privádzame ultrazvukové vlnenie do prostredia priamo,

alebo pomocou vlnovodou a mechanických transformátorov. Preto sa pre reflektor

a radiátor volia rôzne kombinácie materiálov.

Obr.3.1. Výkonový ultrazvukový piezokeramický menič

3.2 Popis meraní a experimentálnych prác

Samotné meranie pozostáva z viacerých čiastkových meraní, z ktorých je možné

vypovedať o celkovom vplyve frekvencie a vplyve statického predpätia na celkovú

impedanciu Z elektroakustického meniča. Meranie preto pozostáva z týchto úloh:

1. Meranie rezonančnej frekvencie a impedancie v závislosti od zmeny statického

predpätia.

2. Meranie rezonančných charakteristík meniča v závislosti od zmeny statického

predpätia.

3.2.1 Meranie rezonančnej frekvencie a impedancie v závislosti od zmeny statického

predpätia

Pri meraní som použil prístoje: multimeter Agilent 34401A – zapojený ako merač

frekvencie a nízkofrekvenčný merač impedancie BM 653 – tento merač umožňuje

priame meranie dvojpólových impedancií vo frekvenčnom rozsahu

5Hz až 500kHz. Meraná impedancia Z je vyjadrená v polárnom tvare

v hodnote modulu |Z| a fázového posunu °ϕ. Obidve hodnoty sa priamo

odčítavajú na ručičkových meradlách na prednej strane prístroja. Tento merač je vybaný

vstavaným generátorom, ktorého frekvenciu je možné meniť od 5 Hz až do 500kHz.

Obr.3.2. Meranie rezonančnej frekvencie a impedancie v závislosti od zmeny statického predpätia piezokeramických dosiek

Zmena statického predpätia piezokeramických dosiek je realizovaná

mechanickým spôsobom použitím momentového kľúča v intervale hodnôt od 60 kN do

150 kN s krokom 10 kN.

Meranie je realizované v priestoroch laboratória intenzívneho ultrazvuku na

Katedre materiálového inžinierstva Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity (Obr.3.2.).

Cieľom merania je zmeranie frekvencie a impedancie meniča v rezonancii v rôznych

hodnotách nastaveného statického predpätia. Menič je napájaný vstavaným generátorom

merača Veľkosť vstupného napätia na svorkách meniča Uvst. je 0,340V. Namerané

hodnoty sú uvedené v (Tab.3.1.) a graficky znázornené na (Obr.3.3)., kde je zobrazený

priebeh závislosti rezonančnej impedancie meniča od statického predpätia a na (Obr.3.4.)

kde je zobrazený priebeh závislosti rezonančnej frekvencie meniča opäť od mechanicky

nastaveného statického predpätia piezokeramických dosiek.

Tab.3.1. Namerané hodnoty rezonančnej frekvencie a impedancie v závislosti od zmeny

statického predpätia

Statické predpätie [kN] Rezonanč. impedancia [ΩΩΩΩ] Rezonanč. frekvencia [kHz]

60 41 19,073

70 30 19,344

80 25 19,524

90 23 19,693

100 21 19,781

110 19 19,856

120 16 19,916

130 14 19,958

140 13 19,985

150 12 19,998

Obr.3.3. Grafické zobrazenie priebehu rezonančnej impedancie v závislosti od

statického predpätia piezokeramických dosiek

Obr.3.4. Grafické zobrazenie priebehu rezonančnej frekvencie v závislosti od statického predpätia piezokeramických dosiek

0

10

20

30

40

50

30 50 70 90 110 130 150 170

static. predpätie [kN]

rezonan č.impedancia

[ΩΩΩΩ ]

18,6

18,8

19

19,2

19,4

19,6

19,8

20

20,2

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150static. predpätie [kN]

rezonan č. frekvencia

[kHz]

3.2.2 Meranie rezonančných charakteristík meniča v závislosti od zmeny statického

predpätia.

Meranie je realizované v priestoroch laboratória vnútorného tlmenia na Katedre

materiálového inžinierstva Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity. Experimentálne

zariadenie pozostáva z meracej a riadiacej časti a zo skúmaného výkonového

ultrazvukového piezokeramického meniča. Meraciu časť tvorí generátor Agilent 33220A,

multiplexer Agilent 34970A, ktoré sú prepojené cez zbernicu do PC (Obr.3.5.). Generátor

generuje sínusový signál, ktorý je zosilnený zosilňovačom PA2240. Generovaný signál

zosilňovača je privádzaný na piezokeramické dosky ultrazvukového meniča. Multiplexer

uskutočňuje zber nameraných veličín na meniči. Merané veličiny na meniči sú napätia

Upu a Ua. Riadiacu časť a spracovanie výsledkov do grafu a tabuliek vykonáva

programové vybavenie PC v závislosti na nameraných veličinách. Všetky namerané údaje

sú ukladané na pevný disk počítača.

Podstata merania pozostáva z meraní rezonančných charakteristík meniča

v rôznych hodnotách statického predpätia piezokeramických dosiek. Zmena statického

tlakového predpätia piezokeramických dosiek je realizovaná mechanickým spôsobom

použitím momentového kľúča, po každom príslušnom meraní rezonančnej charakteristiky

v intervale hodnôt od 40 kN do 150 kN s krokom 10 kN. Program vo zvolených cykloch

vykonáva zmenu frekvencie na generátore v určenom rozsahu. Po každej zmene

frekvencie je uskutočnené vždy meranie Upu , v závislosti od amplitúdy aj meranie napätia

Ua. Tieto hodnoty sú potom zaznamenávané do tabuľky. Z nameraných hodnôt

Upu = f(Hz) je potom zostrojený rezonančný pík a z analyzovaného rezonančného píku

je následne určená rezonančná frekvencia. Zmena frekvencie je nastavená s krokom 1 Hz,

táto zmena frekvencie je vhodná na dosiahnutie dostatočne presného merania rezonančnej

charakteristiky. Súbor rezonančných charakteristík meniča je meraný pri dvoch

hodnotách vstupného budiaceho napätia zosilňovača, t.j. pri Uvst. = 172mV (Obr.3.7.),

(Obr.3.9.)a pri Uvst. = 3,4 V (Obr.3.8.), (Obr.3.10.).

Obr.3.5. Meranie rezonančných charakteristík meniča v závislosti od zmeny statického predpätia piezokeramických dosiek

Meranú veličinu Upu získavame prostredníctvom zariadenia, ktorého konštrukčné

riešenie je zobrazené na obrázku (Obr.3.6.). Z konštrukčného a elektrického hľadiska

vyplíva, že sa jedná o využitie javu elektromagnetickej indukcie. Základným prvkom

tohoto zariadenia je zostava zložených kruhových jadiér s vinutím. Z vyvedených koncov

vinutia je snímaná veličina Upu. V podstate je Upu indukované napätie v tomto vinutí,

vyvolané prechádzajúcim prúdom meniča. Z uvedeného je zrejmé, že Upu je obrazom

prúdu meniča.

.

Obr.3.6. Konštrukčné riešenie zariadenia na snimanie meranej veličiny Upu

Obr.3.7. Grafické zobrazenie priebehu Ua v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 172 mV

Obr.3.8. Grafické zobrazenie priebehu Ua v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 3,4 V

Ua[V]

Ua[V]

f[Hz]

f[Hz]

Obr.3.9. Grafické zobrazenie priebehu Upu v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 172 mV

Obr.3.10. Grafické zobrazenie priebehu Upu v závislosti od zmeny frekvencie,

v jednotlivých hodnotách statického predpätia piezokeramických

dosiek meniča pri úrovni Uvst. = 3,4 V

Upu [V]

Upu [V]

f[Hz]

f[Hz]

4 Záver

Vo všeobecnosti, na Katedre materiálového inžinierstva Strojníckej fakulty

Žilinskej univerzity sa sústavy výkonových ultrazvukových piezokeramických meničov

využívajú v troch oblastiach výskumu:

1. Únavové skúšky konštrukčných materiálov

2. Meranie vnútorného tlmenia konštrukčných materiálov

3. Meranie modulu pružnosti konštrukčných materiálov

Z výsledkov meraní uskutočnených na skúmanom výkonovom ultrazvukovom

piezokeramickom meniči je možné konštatovať a vyvodiť nasledovné závery. Menič,

ktorý je statickým tlakovým predpätím piezokeramických dosiek nastavený do optimálnej

oblasti, tzn. do oblasti najmenších strát, vysiela do záťaže akustický tlak s najväčšou

účinnosťou.

Ďalej výsledky merania a samotnú analýzu uskutočnenú na meniči predstavenom

v tejto diplomovej práci je možné využiť pri návrhu a konštrukcii ultrazvukového zdroja,

kde je potrebná dokonalá znalosť parametrov a vlastností ultrazvukového meniča,

použitého v technologickom procese. V tomto kontexte ide hlavne o problematiku

optimálneho vzájomného výkonového prispôsobenia jednotlivých súčastí celého

elektromechanického reťazca, ktorý pozostáva z ultrazvukového zdroja, ultrazvukového

meniča a záťaže, ktorá predstavuje niektorú z množstva technologických aplikácií. Toto

prispôsobenie súvisí so skutočnosťou, že zmenou rezonančnej frekvencie ultrazvukového

meniča sa výrazne mení aj jej elektrická impedancia. K tejto zmene často dochádza pod

vplyvom prevádzkového zaťaženia. V praxi toto rozladenie rezonančnej frekvencie, má

za následok značný pokles amplitúdy, čo znamená, že poklesne výkon v mieste

technologickej operácie. Z tohoto dôvodu pod vplyvom týchto meniacich sa parametrov

je potrebné realizovať reguláciu výkonu ultrazvukových zdrojov, aby bola zabezpečená

stabilizácia amplitúdy ultrazvukového meniča.

V dôsledku prevádzkového zaťaženia meniča, alebo niekedy meniacim sa

teplotným podmienkam pracovného prostredia dochádza ku zmenám elastických

vlastností kovových častí hlavne v centrálnej skrutke a tým aj ku zmene vlastností celého

meniča. Táto zmena elastických vlastností, znamená zmenu modulu pružnosti a zmenu

mechanického predpätia piezokeramických dosiek a prejaví sa na impedancii

a rezonančnej frekvencii meniča, ktoré sú jedny z jeho hlavných parametrov. Zmena

týchto parametrov indikuje poškodenie, respektíve rozladenie meniča.

Z tohoto dôvodu môžeme metódy merania parametrov vyjadrené a realizované

v tejto diplomovej práci považovať za vhodné na monitorovanie stability a kvality

meniča.

5 Zoznam použitej literatúry

[1] Jiří Zelenka, Piezoelektrické rezonátory a jejich použití, Academia Praha 1983.

[2] Švehla Š. Figura Z., Ultrazvuk v technológii, Alfa Bratislava 1984.

[3] Kikuchi Y.: Ultrasonic Transducers. Tokio, 1969.

[4] Petržílka V. a iní : Piezoelektřina. Praha, 1960.

[5] Hiršl a iní: Keramická piezoelektrika. Praha, 1970.

[6] Woollet R.S., LeBlanc L.: Ferroelectric Nonlinearities in Transducer Ceramics, 1973.

[7] Obraz J.: Ultrazvuk v měřící technice. Praha, SNTL, 1976.

[8] Švehla Š.: Výkonový ultrazvukový piezoelektrický menič.

[9] Švehla Š. Hanzlík J.: Výkonový ultrazvukový piezoelektrický menič najmä pre

veľký ultrazvukový výkon.

[10] Miodrag Prokic: Piezoelectric Transducers Modeling and Characterization,

Le Locle – Switzerland, 2006.

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúcich diplomovej práce Ing. Lindy Reseteričovej,

doc.Ing. Vladimíra Hottmara PhD. a používal som len literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím zo zapožičiavaním diplomovej práce.

V Žiline dňa …………….

Podpis diplomanta

POĎAKOVANIE

Ďakujem vedúcim diplomovej práce Ing. Linde Reseteričovej,

doc.Ing. Vladimírovi Hottmarovi PhD., rovnako ostatným zamestnancom Katedry

materiálového inžinierstva za pomoc, cenné rady a pripomienky pri vypracovaní mojej

diplomovej práce a v neposlednom rade mojim rodičom a priateľom za podporu pri

štúdiu.