خصوصیات مبدل‌های پیزوالکتریک

مبدل بخش بسیار مهمی از سیستم تجهیزات فراصوتی می‌باشد. همان طور که قبلاً نیز بحث کردیم، مبدل از یک عنصر پیزوالکتریک استفاده می‌کند که این عنصر سیگنال الکتریکی را به ارتعاش مکانیکی تبدیل می‌کند و در حین ارسال امواج صوتی) و ارتعاشات مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند ( در حالت دریافت). عوامل زیادی از جمله ماده، ساختار الکتریکی و مکانیکی و شرایط بارگذاری الکتریکی و مکانیکی خارجی بر روی رفتار یک مبدل تأثیر می‌گذارند. ساختار مکانیکی شامل پارامترهایی هم چون منطقه‌ی سطحی تابش، میرایی مکانیکی، محفظه، نوع رابط و دیگر متغیرهای ساختار فیزیکی می‌شود. در تاریخ نگارش این نوشته تولیدکنندگان مبدل سخت درگیر ساخت مبدل‌هایی هستند که دارای ویژگی‌های عملکرد یکسانی باشند.
شکل برش خورده‌ی یک نمونه‌ی نوعی مبدل تماسی را در زیر می‌بینید.

قبلاً اشاره شد که عنصر پیزوالکتریک به اندازه‌ی نصف طول موج مطلوب برش داده می‌شود. برای استحصال حداکثر انرژی ممکن از مبدل یک مقاومت تطبیقی بین عنصر فعال و سطح مبدل قرار داده می‌شود. مقاومت تطبیقی بهینه بوسیله ی ساخت لایه‌ی تطبیقی با ضخامت یک چهارم طول موج مطلوب حاصل می‌شود. این کار موجب می‌شود تا امواجی که در قسمت درونی لایه‌ی تطبیقی بازتاب می‌شوند، هنگامی که از لایه خارج می‌شوند هم فاز بمانند.( به شکل توجه کنید). برای مبدل‌های تماسی لایه‌ی تطبیقی از ماده ای ساخته می‌شود که مقاومت صوتی آن بین عنصر فعال و فولاد باشد. مبدل‌های مخصوص آزمون غوطه وری دارای لایه‌ی تطبیقی با مقاومت صوتی بین عنصر فعال و آب هستند. هم چنین مبدل‌های تماسی از یک لایه‌ی پوششی برای محافظت لایه‌ی تطبیقی و عنصر فعال از خراشیدگی استفاده می‌کنند.
مواد محافظی که از مبدل پشتیبانی می‌کنند تأثیر زیادی بر روی ویژگی‌های میرایی یک مبدل دارد. استفاده از مواد محافظی که دارای مقاومت ظاهری مشابه با عنصر فعال هستند، منحصر به ایجاد مؤثرترین میرایی می‌گردد. چنین مبدلی دارای پهنای باند وسیع‌تری می‌باشد که در نتیجه حساسیت بالاتری پیدا می‌کند: با افزایش اختلاف در مقاومت ظاهری بین عنصر فعال و ماده‌ی محافظ میزان نفوذ در ماده افزایش می‌یابد اما حساسیت مبدل کاهش پیدا می‌کند.

بازده مبدل، پهنای باند و فرکانس
برخی از مبدل‌ها به صورت خاص طوری ساخته می‌شوند که ارسال کننده های مؤثرتری باشند و برخی دیگر طوری ساخته می‌شوند که دریافت کننده های مؤثرتری باشند. مبدلی که در یک حالت (ارسال یا دریافت) کارکرد خوبی داشته باشد، همیشه عملکرد مطلوبی در حالت دیگر ندارد. به طور مثال حساسیت نسبت به عیوب کوچک متناسب با حاصل ضرب بازده مبدل به عنوان ارسال کننده و دریافت کننده می‌باشد. تفکیک پذیری ( Resolution) ( توانایی مکان یابی عیب‌های نزدیک سطح یا عیب‌های نزدیک به هم درون ماده) نیازمند مبدلی با میرایی بالا می‌باشد.
فهم مفهوم پهنای باند ( یا محدوده‌ی فرکانس‌ها ) که به یک مبدل مربوط هستند نیز مهم است. فرکانسی که بر روی یک مبدل نوشته شده است. فرکانس مرکزی یا فرکانس میانه است و عمدتاً به ماده‌ی محافظ بستگی دارد. مبدل‌های با میرایی بالا به فرانس‌های بالاتر و پایین‌تر از فرکانس مرکزی پاسخ می‌دهند. محدوده‌ی وسیع فرکانس به یک مبدل قدرت تفکیک پذیری بالایی می‌دهد. مبدل‌های با میرایی کمتر محدوده‌ی فرکانس کوچک‌تر و قدرت تفکیک پذیری پایین‌تری را فراهم می‌کنند. اما از قدرت نفوذ بالاتری برخوردار هستند. هم چنین فرکانس مرکزی توانایی‌های یک مبدل را تعریف می‌کند. فرکانس‌های پایین‌تر از 5 /0 مگاهرتز تا 25 /2 مگاهرتز) انرژی بالاتر و نفوذ بیشتر در ماده را فراهم می‌نمایند. این درحالی است که کریستال‌های با فرکانس بالاتر ( 15 مگاهرتز تا 25 مگاهرتز ) منجر به نفوذ کمتر ولی حساسیت بالاتر نسبت به ناپیوستگی های کوچک‌تر می‌شوند. مبدل‌هایی با فرکانس بالا هنگامی که با تجهیزات مناسب مورد استفاده قرار گیرند، می‌توانند توانایی‌های اندازه گیری ضخامت و تفکیک عیب را به طرز چشم گیری بهبود ببخشند. مبدل‌های پهن باند با فرکانس‌هایی تا 150 مگاهرتز در بازار قابل دسترسی هستند.
مبدل‌ها طوری ساخته می‌شوند که برخی از بد استفاده کردن‌ها را تحمل می‌کنند اما باید با احتیاط مورد استفاده قرار بگیرند. اتفاقاتی هم چون افتادن می‌توانند موجب ترک خوردن پوشش محافظ، عنصر فعال یا مواد محافظ گردند. آسیب‌های وارد شده به یک مبدل معمولاً در روش A- Scan و به صورت افزایش اندازه‌ی پالس اولیه ( Initial Pulse) بروز می‌کنند.