تجهیزات و مبدل‌ها: مبدل‌های پیزوالکتریک

( Piezoelectric Transducers)
تبدیل پالس‌های الکتریکی به ارتعاشات مکانیکی و تبدیل ارتعاشات مکانیکی بازگشتی به انرژی الکتریکی اساس آزمون فراصوتی است. عنصر مؤثر قلب مبدل است که انرژی الکتریکی را به انرژی صوتی تبدیل می‌کند و بالعکس. عنصر فعال اساساً تکه ای از ماده ای قطبی شده است. که الکترودهایی به دو سطح متقابل آن متصل شده‌اند (منظور از ماده‌ی دو قطبی شده این است که قسمت‌هایی از مولکول دارای بار مثبت و دیگر قسمت‌های مولکول دارای بار منفی می‌شوند).
هنگامی که یک میدان الکتریکی در ماده اعمال می‌شود، مولکول‌های قطبیده خود را با این میدان الکتریکی مطابقت می‌دهند که در نتیجه منجر به ایجاد دوقطبی‌های القایی درون ساختار مولکولی یا بلوری ماده می‌گردد. این تطبیق پیدا کردن مولکول‌ها منجر به تغییر ایجاد ماده می‌گردد. این پدیده با نام الکترو ستیریکسون ( Electrostriction) شناخته می‌شوند. علاوه بر این مواد قطبیده ی دائم همانند کوارتز (〖Sio〗_2) یا ( Quartz ) یا باریم تیتانات (〖BaTio〗_3 یا Barium Titanate) هنگامی که بر اثر یک نیروی مکانیکی تحمیلی ماده دچار تغییر ابعاد شوند یک میدان الکتریکی تولید می‌کنند. این پدیده با نام اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric) شناخته می‌شود.

عنصر فعال اکثر مبدل‌های صوتی که امروز مورد استفاده قرار می‌گیرند، یک سرامیک پیزوالکتریک است که می‌توان آن را به روش‌های مختلف برش داد تا مدهای موج متفاوت تولید کند. در تصویر زیر می‌توانید یک عنصر سرامیک پیزوالکتریک را در نمای برش خورده‌ی یک مبدل فرکانس پایین مشاهده کنید. قبل از ظهور سرامیک‌های پیزوالکتریک در اوایل دهه‌ی 1950، بلورها (کریستال‌های) پیزوالکتریک از بلورهای کوارتز و مواد Magnetostrictive که عمدتاً مورد استفاده بودند، ساخته می‌شدند. (مواد Magnetostrictive موادی هستند که در اثر مغناطیس تغییر شکل می‌دهند) هنوز هم عنصر فعال در برخی موارد توسط کهنه کارهای حوزه‌ی NDT با نام کریستال نام برده می‌شود. هنگامی که سرامیک‌های پیزوالکتریک معرفی شدند خیلی زود تبدیل به مواد اصلی برای مبدل‌ها گردیدند. چنین چیزی به علت خواص پیزوالکتریکی خوب آن‌ها و سهولت تولید انواع اندازه‌ها و شکل‌ها از آن‌ها بود. هم چنین این مواد قابلیت کار با ولتاژهای پایین را دارند و می‌توان از آن‌ها تا دماهای 300 درجه نیز استفاده کرد. اولین پیزو سرامیک (سرامیک پیزوالکتریک) که مورد استفاده گسترده تر قرار گرفت، باریم تیتانات بود؛وپس از آن در طی دهه‌ی 1960 ترکیبات سرب زیرکنات تیتانات مورد استفاده قرار گرفت. این ترکیبات هم اکنون رایج‌ترین سرامیک مورد استفاده برای تولید مبدل‌ها می‌باشد. در برخی کاربردها مواد جدیدی هم چون پیزوپلیمرها و کامپوزیت‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ضخامت عنصر فعال به وسیله‌ی فرکانس مطلوبی که برای مبدل در نظر گرفته شده است، تعیین می‌شود. یک تکه‌ی نازک عنصر فعال با طول موجی به اندازه‌ی دو برابر ضخامتش به ارتعاش می‌پردازد. بنابراین بلورهای پیزوالکتریک به ضخامتی به اندازه‌ی نصف طول موج منتشرشونده ی مورد نظر برش داده می‌شوند. هر چه قدر که فرکانس مبدل بالا باشد، عنصر فعال نازک‌تر می‌باشد دلیل اصلی عدم تولید مبدل‌های تماسی فرکانس بالا ضخامت بسیار نازک مورد نیاز برای عنصر و شکنندگی بالای آن می‌باشد.