Ультразвуковые колебания в диапазоне частот, который используется для диагностики, возбуждаются и преобразуются в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) представляет собой пластинку, вырезанную из пьезоэлектрика вдоль определенной кристаллографической оси и покрытую с обеих сторон металлизацией, которая служит электродами (рис.1).
| Если между гранями пластины приложить силу F, то на ее электродах появятся заряды, а между электродами – разность потенциалов. Если же к ним подвести переменное напряжение U, то пластина будет совершать колебания. Их амплитуда будет максимальной на частоте собственного резонанса пластины, определяемой ее толщиной и механическими свойствами. | F + + + + U - - - - F Рисунок 1. Пьезопреобразователь. |
Важнейшими параметрами ПЭП являются пьезоэлектрический модуль d, представляющий собой отношение заряда на электродах к силе, и коэффициент преобразования механической энергии в электрическую 
:
; 
.
Пьезоэлектрические материалы характеризуются также диэлектрической проницаемостью 
, модулем упругости, волновым импедансом Z и некоторыми другими параметрами, важными для проектирования ПЭП. Большинство из этих параметров для разных направлений (осей) в пьезокристалле имеет разное значение. Обычно пластину вырезают с такой ориентацией, чтобы получить максимально возможные величины 
и 
.
Для ПЭП ультразвуковых аппаратов наиболее часто используют синтетические пьезоэлектрики на основе цирконата-титаната свинца ЦТС -19 и ЦТС-23, а также PZT (США). Материал ЦТС представляет собой твердый раствор цирконата свинца PbZrO3 и титаната свинца PbTiO3. Для придания этой керамике свойств пьезоэлектрика ее помещают в сильное электрическое поле, которое ориентирует отдельные микроскопические области (кристаллиты) в направлении поля. После его снятия поляризация сохраняется. Одним из первых пьезоэлетриков, применявшихся в УЗ технике, был кварц, который обладает очень высокой добротностью, но по большинству других параметров существенно уступает синтетическим пьезоэлектрикам. В табл. 2 приведены важнейшие параметры пьезоэлектриков ЦТС-19 и PZT-4 в сравнении с кварцем.
Таблица Параметры пьезоэлектриков
| Параметры | Кварц | ЦТС-19 | PZT-4 |
e /e0
К 
Пьезомодуль, Кл/Н ×10 
Плотность, кг/м 
Волновой импеданс (Z/Zволы)
Скорость звука, м/c
| 0,01 7,6 | 0,64 | 0,75 14,7 |
Для анализа переходных процессов в ПЭП применяют различные методы: метод дифференциальных уравнений, четырехполюсника, электрических моделей. Эти методы достаточно подробно изложены в [1] и [2]. В методе четырехполюсника связывают входное воздействие и выходную реакцию ПЭП. Ими могут быть различные физические величины. Например, в режиме излучателя входными величинами будут напряжение Е и ток I, а выходными – сила F и колебательная скорость v (рис.2).
 |
Рисунок 2 Модель ПЭП в виде четырехполюсника
Нагрузкой ПЭП является акустическое сопротивление Z 
, которое при глубине локации 50 – 100 мм равно среднему волновому акустическому импедансу «озвучиваемой» среды. Входные и выходные величины связаны между собой матричным уравнением
= 
(3)
Коэффициенты 
являются сложными функциями физических параметров ПЭП. Для малых сигналов ПЭП представляет собой линейный обратимый четырехполюсник. В режиме приемника I и v изменяют свои направления, а матричное уравнение будет иметь вид
= 
Коэффициенты 
и 
связаны соотношениями:
Пьезопреобразователь можно характеризовать коэффициентами передачи. Например, для режима излучателя это будет отношение
.
Обозначив площадь ПЭП через 
, запишем 
/ , а согласно определению 
/ 
. С учетом этих соотношений из уравнения (3) находим
.
Коэффициенты 
и 
являются функциями частоты.
Для наглядных представлений часто используют эквивалентную электрическую схему ПЭП. Один из возможных вариантов такой схемы приведен на рис.3.
 |
Рисунок 3. Электрическая модель пьезоэлемента.
Здесь r и L - активное сопротивление и индуктивность внешней цепи (индуктивность может быть и специально включаемой), С 
- емкость между обкладками ПЭП; L 
, С , r - параметры электрической модели ПЭП, отражающие его механические свойства. Вследствие большой диэлектрической проницаемости пьезоэлектриков ЦТС емкость С ПЭП даже при его небольших размерах может быть сравнительно большой - сотни пФ.
Как видим, электрическая модель ПЭП представляет собой систему связанных контуров, поэтому в ней возможен резонанс на двух частотах. Последовательный контур L , C , r имеет высокую добротность, которая отражает высокую собственную механическую добротность пьезокристалла. Однако, как увидим далее, она не должна быть слишком высокой при импульсной локации объектов и ее уменьшают электрическим (включением внешних элементов) и механическим путем (демпфированием).