2.2. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрический эффект представляет собой явление, которое наблюдается в образцах некоторых анизотропных материалов и заключается в нарушении равновесного распределения электрических зарядов под действием механической деформации образца. Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект, состоящий в механической деформации среды под действием внешнего электрического поля. Явление пьезоэлектричества подробно рассмотрено в ряде специальных публикаций [3, 4, 6, 13].

Пьезоэлектрическим эффектом обладают материалы различного типа. К одному из классов таких материалов относятся естественные кристаллы и кристаллические материалы (к ним относятся также кости человека), причем наиболее важными с точки зрения практического применения являются кварц и ниобат лития. Другой важный класс объединяет сегнетоэлектрики — аморфные материалы типа некоторых керамик и пластмасс, имеющих микрокристаллическую структуру. В этих материалах устойчивый пьезоэлектрический эффект может быть создан под действием сильного электрического поля (такой процесс называется поляризацией).

Достаточно сложно дать исчерпывающую характеристику электромеханических свойств таких материалов. По своей природе они являются анизотропными, т. е. их свойства зависят от выбранного направления относительно кристаллографических осей или осей поляризации. При этом для описания взаимосвязи между различными электрическими и механическими характеристиками пьезоэлектриков необходимо использовать тензорно-матричные уравнения. К основным параметрам, характеризующим свойства различных материалов, следует отнести: коэффициент электромеханической связи, определяющий ту часть электрической энергии, которая может быть преобразована в упругую энергию и наоборот; пьезоэлектрический модуль, представляющий собой отношение наведенного электрического поля к единичной деформации и наоборот; диэлектрическую проницаемость; тангенс угла диэлектрических потерь — частотно-зависимую величину, определяющую ту часть энергии, которая теряется за период колебаний; плотность, упругую

податливость и удельный акустический импеданс. В практическом плане важную роль играют также напряженность электрического поля пробоя, временная и температурная стабильность параметров, а также устойчивость к воздействию воды и химических веществ.

Значения перечисленных параметров для некоторых практически важных материалов представлены в табл. 2.1. С учетом того что в подавляющем большинстве медицинских и биологических приложений пьезоэлектрические преобразователи работают в режиме возбуждения только продольной моды колебаний (по толщине), в таблице приведены значения соответствующих параметров, относящиеся лишь к этой моде. Однако нельзя пренебрегать возможностью возбуждения и других мод колебаний, а также взаимодействием между различными модами. В дальнейшем мы еще вернемся к этому вопросу.

Как видно из табл. 2.1, между указанными материалами существуют некоторые важные с точки зрения практики различия. Так, например, кварц, относящийся к естественным кристаллическим материалам, характеризуется очень низкими потерями и,

Таблица 2.1. Основные характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов

следовательно, обладает резко выраженными резонансными свойствами. Пластинки кварца помимо своей основной частоты могут с достаточно высокой эффективностью работать на целом ряде своих высших гармоник как в качестве излучателей, так и приемников ультразвука. С другой стороны, из-за низкого значения коэффициента электромеханической связи для кварцевых пластинок характерна сравнительно слабая чувствительность вне резонанса. Поэтому они непригодны для работы в широкой полосе частот или для использования в качестве приемников сигналов в тех случаях, когда отсутствует строгий контроль за частотой. В силу указанных причин кварц с его чрезвычайно высокой стабильностью параметров используется для измерения акустических характеристик материалов на различных фиксированных частотах. Он применяется, например, для точных измерений коэффициента поглощения и скорости звука в растворах биомолекул, для оценки соотношений между дозой ультразвука и биологическим эффектом. Однако кварц, вообще говоря, непригоден для использования в диагностике или дозиметрии.

Сегнетокерамические материалы типа цирконаттитаната свинца имеют сравнительно высокий коэффициент электромеханической связи и обладают заметной чувствительностью вне резонанса, что позволяет их использовать для работы в широкополосном режиме. С учетом высокой диэлектрической проницаемости из этих материалов могут быть изготовлены преобразователи достаточно малых размеров, электрический импеданс которых не будет чрезмерно большим. Значения коэффициента электромеханической связи сегнетоэлектриков обычно почти на порядок превосходят соответствующие значения для кварца. Поэтому сегнетокерамические материалы стали широко применяться для генерации и приема акустических волн в медицинских приложениях.

Устойчивый пьезоэлектрический эффект может быть также получен в некоторых синтетических полимерах посредством их поляризации в сильных постоянных электрических полях при повышенных температурах. Среди этих материалов наиболее перспективным представляется поливинилиденфторид (ПВДФ) [21, 30]. Хотя он обладает несколько более низким коэффициентом электромеханической связи и значительно меньшей по сравнению с цирконат-титанатом свинца диэлектрической проницаемостью, его удельный акустический импеданс близок к импедансу воды и мягких тканей, а его очень низкая механическая добротность обеспечивает возможность работы в широкой полосе частот. Кроме того,

Рис. 2.2. Основные элементы плоского круглого преобразователя.

технологически его можно изготовить в виде тонкой гибкой пленки, что имеет большое практическое значение в ряде приложений.

Сегнетоэлектрические материалы можно резать, придавать им необходимую форму и компоновать самым различным образом. Это позволяет создавать весьма универсальные и эффективные устройства генерации акустических полей. Некоторые из этих устройств будут рассмотрены в дальнейшем, а на первом этапе мы исследуем характеристики одной из простейших, но в то же время основных конструкций. Речь идет о преобразователе, рабочий элемент которого выполнен в форме плоского диска радиуса а с параллельными поверхностями. Типичная конструкция такого преобразователя показана на рис. 2.2.

В данном случае диск расположен на плоской границе раздела между двумя полубесконечными средами, одной из которых может быть вода или биологическая ткань, а другая представляет собой изолирующую среду, которой обычно является воздух. Математический анализ такого круглого поршневого излучателя уже был выполнен в гл. 1 (разд. 1.5.1).

При сборке преобразователя необходимо обеспечить механическое крепление диска, причем способ этого крепления в существенной степени определяется конкретным назначением устройства. При излучении и приеме непрерывных волн или «тональных» импульсов большой длительности на заданной частоте

преобразователь должен обладать высокой добротностью. Для ее обеспечения диск закрепляется только в периферийной области и с тыльной стороны «нагружается на воздух». При излучении и приеме коротких (широкополосных) импульсов желательно, чтобы преобразователь имел приблизительно равномерную частотную характеристику. С этой целью можно задемпфировать колебания диска при резонансе посредством его соединения с тыльной нагрузкой, которая в идеальном случае должна быть согласована с преобразователем по акустическому импедансу. Осуществить такое соединение можно, например, с помощью заливки из эпоксидной смолы. Обычно в качестве демпфера используется эпоксидная смола с наполнителем из вольфрамового порошка, а в случае пьезокерамических дисков им может служить элемент из той же самой, но неполяризованной керамики.

В дальнейшем будет показано, что материал тыльной нагрузки должен обладать заметным поглощением акустической энергии, с тем, чтобы предотвратить рассеяние или отражение (особенно когерентное) возбуждаемых в тыльной нагрузке волн в обратном направлении к диску. По этой причине форма и композиционный состав тыльной нагрузки должны быть тщательно подобраны.

Одна из трудностей, возникающих при использовании пьезоэлектрических керамических материалов, связана с высокими значениями их удельного акустического импеданса по отношению к воде (табл. 2.1). Различие импедансов приводит к плохому акустическому согласованию между преобразователем и рабочей средой. Так, например, в гл. 1 было показано, что при отношении импедансов, равном 14, потери энергии при двустороннем излучении определяются коэффициентом 0,062, т. е. составляют 12 дБ. Обычно для преодоления этих трудностей на поверхность преобразователя наносят один или два четвертьволновых согласующих слоя (см. разд. 1.7.4). Такой согласующий слой обеспечивает также механическую защиту электродов преобразователя и изготавливается из материала, обладающего хорошей смачиваемостью для предотвращения возможности образования воздушной прослойки на поверхности (разд. 1.7.4).

Помимо указанных выше требований к акустическому демпферу при разработке конструкции корпуса преобразователя необходимо учитывать и целый ряд других специфических моментов. Необходимо, чтобы подводящие электрические провода и электроды могли пропускать большие мгновенные токи. При этом важно обеспечить надежность контактов, что достигается обычно с помощью

низкотемпературной пайки. Изоляция должна выдерживать высокие электрические напряжения и должна быть непроницаемой для воды. Преобразователи, предназначенные для работы в эхо-импульсном режиме или режиме приема, должны быть надежно экранированы, поскольку довольно часто возникает задача приема и выделения на фоне шумов акустических сигналов с мощностью порядка Если для электрической экранировки используются металлические корпуса, то они должны быть очень хорошо акустически развязаны с рабочим элементом преобразователя. В противном случае эти корпуса будут работать как достаточно эффективные акустические линии задержки. Подробное рассмотрение метода оптимизации конструкций эхо-импульсных преобразователей выполнено в работе [32].

Обычно при теоретическом рассмотрении предполагается, что преобразователи, сконструированные в соответствии с указанными выше требованиями, будут совершать колебания подобно простому поршню, т. е. с одинаковой колебательной скоростью по всей площади поверхности рабочего элемента преобразователя. Однако такая модель является слишком упрощенной по крайней мере по двум причинам. Во-первых, некоторая часть акустической энергии будет расходоваться на возбуждение радиальных и изгибных мод колебаний, а во-вторых, при том или ином способе механического крепления рабочего элемента он может оказаться зажатым в периферийной области. Последний эффект, представляющий собой некоторую разновидность аподизации или маскирования, может играть и положительную роль, поскольку, как будет показано в дальнейшем, он приводит к уменьшению доли энергии, приходящейся в пространственной структуре пучка на боковые лепестки. Нередко также наблюдается, что дефекты, возникающие в процессе изготовления (например, при нарушении адгезии излучателя с тыльной нагрузкой или согласующим слоем), могут быть причиной явно выраженного аномального поведения преобразователя. Тем не менее теорию «простого поршневого преобразователя» можно рассматривать как неплохое первое приближение к поведению реальных устройств.

Второе основное упрощение большинства простых теоретических моделей сводится к предположению о непрерывном режиме возбуждения волн. Несмотря на такую идеализацию (см. далее разд. 2.3), соответствующие теоретические расчеты дают весьма наглядные результаты, которые непосредственно применимы на практике для описания ультразвуковых полей терапевтических или

Рис. 2.3. Расчетные структуры полей плоских поршневых излучателей: а — нормированное распределение амплитуды звукового давления вдоль оси круглого излучателя радиуса а в случае равномерного возбуждения то же для круглого излучателя с то же для излучателя квадратной формы со стороной в случае то же для круглого излучателя с при использовании аподизирующей функции Гаусса; в — распределения амплитуды давления в радиальном направлении при фиксированных расстояниях по оси (кривые в-1, в-2 и в-3 соответствуют кривой б-1, кривая в-4 демонстрирует влияния аподизации).

доплеровских диагностических аппаратов. Некоторые примеры расчета поля, создаваемого круглым поршневым излучателем в режиме непрерывного возбуждения, представлены на рис. 2.3. Как видно, по мере роста апертуры излучателя, выраженной в длинах волн X, наблюдается тенденция к увеличению направленности (но также и к возрастанию сложности структуры поля). Кроме того, на представленных графиках можно видеть границу (определяемую

достаточно условно «френелевским расстоянием» а между ближним полем или зоной дифракции Френеля со сложной структурой и дальним полем или зоной дифракции Фраунгофера, где структура пучка упрощается, а интенсивность начинает спадать обратно пропорционально квадрату расстояния по оси излучателя.

Равномерное возбуждение плоского круглого излучателя по всей поверхности представляет собой частный, но достаточно важный случай. Вопрос о «фокусирующих» излучателях, т. е. об излучателях с определенным законом изменения фазы и амплитуды в пределах их апертуры, рассматривается в разд. 2.4. Для сравнения на рис. 2.3 показана также структура поля плоского излучателя квадратной формы.