Piezoelektrische Wandler
Die Umwandlung elektrischer Impulse in mechanische Schwingungen und die Umwandlung zurückgeführter mechanischer Schwingungen in elektrische Energie ist die Grundlage für die Ultraschallprüfung. Das aktive Element ist das Herz des Wandlers, da es die elektrische Energie in akustische Energie umwandelt und umgekehrt. Das aktive Element ist im Wesentlichen ein Stück aus polarisiertem Material (dh einige Teile des Moleküls sind positiv geladen, während andere Teile des Moleküls negativ geladen sind), wobei die Elektroden an zwei gegenüberliegenden Seiten angebracht sind. Wenn ein elektrisches Feld über das Material angelegt wird, richten sich die polarisierten Moleküle mit dem elektrischen Feld aus, was zu induzierten Dipolen innerhalb der Molekül- oder Kristallstruktur des Materials führt. Diese Anordnung von Molekülen bewirkt, dass das Material die Abmessungen ändert. Dieses Phänomen ist als Elektrostriktion bekannt. Außerdem erzeugt ein permanent polarisiertes Material wie Quarz (SiO 2) oder Bariumtitanat (BaTiO 3) ein elektrisches Feld, wenn das Material infolge einer aufgeprägten mechanischen Kraft seine Abmessungen ändert. Dieses Phänomen ist als piezoelektrischer Effekt bekannt.
Das aktive Element der meisten heute verwendeten akustischen Wandler ist eine piezoelektrische Keramik, die auf verschiedene Weise geschnitten werden kann, um verschiedene Wellenmodi zu erzeugen. Ein großes piezoelektrisches Keramikelement ist im Bild eines unterteilten niederfrequenten Wandlers zu sehen. Vor dem Aufkommen der piezoelektrischen Keramik in den frühen 1950er Jahren wurden hauptsächlich piezoelektrische Kristalle aus Quarzkristallen und magnetostriktiven Materialien verwendet. Das aktive Element wird von älteren Zeitgebern im NDT-Feld manchmal noch als Kristall bezeichnet. Als piezoelektrische Keramiken eingeführt wurden, wurden sie bald aufgrund ihrer guten piezoelektrischen Eigenschaften und ihrer einfachen Herstellung in einer Vielzahl von Formen und Größen zum vorherrschenden Material für Wandler. Sie arbeiten auch bei niedriger Spannung und sind bis zu etwa 300 ° C einsetzbar. Die erste allgemein verwendete Piezokeramik war Bariumtitanat, und in den 1960er Jahren folgten Bleizirkonattitanat-Zusammensetzungen, die heute die am häufigsten verwendete Keramik zur Herstellung von Wandlern sind. In einigen Anwendungen werden auch neue Materialien wie Piezo-Polymere und Verbundstoffe verwendet .
Die Dicke des aktiven Elements wird durch die gewünschte Frequenz des Wandlers bestimmt. Ein dünnes Waferelement vibriert mit einer doppelt so großen Wellenlänge. Daher werden piezoelektrische Kristalle auf eine Dicke geschnitten, die 1/2 der gewünschten abgestrahlten Wellenlänge beträgt. Je höher die Frequenz des Wandlers ist, desto dünner ist das aktive Element. Der Hauptgrund dafür, dass Hochfrequenzkontaktwandler nicht hergestellt werden, liegt darin, dass das Element sehr dünn und zu zerbrechlich ist.
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