خاصیت پیزوالکتریسیته

اصلی ترین قسمت ترانسدیوسر یا مبدل آلتراسونیک، قطعه ای است که می تواند یک نیروی الکتریکی فرکانس بالا را به ارتعاش مکانیکی فرکانس بالا تبدیل کند. مواد دارای خاصیت پیزوالکتریسته این قابلیت را دارند که نیروی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل کنند و امروزه نقش اساسی در ساخت ابزارهای آلتراسونیک دارند. اثر پیزوالکتریسیته در دهه 1880 میلادی توسط برادران کوری کشف شد. آنها کشف کردند که زمانیکه یک نیروی مکانیکی به بعضی از مواد مانند کریستال های کوارتز وارد می شود، این مواد از خود نیروی الکتریکی تولید می کنند.

 

به این پدیده واکنش مستقیم مواد پیزوالکتریسته می گویند. از طرفی این مواد واکنش معکوس نیز دارند. یعنی زمانیکه به این مواد نیروی الکتریکی وارد می شود، این مواد دچار تغییر شکل می شوند و می‌توانند نیروی مکانیکی ایجاد کنند.

اثر پیزوالکتریک در کریستال های طبیعی کوارتز مشاهده شده بودند ولی در دهه 1940 میلادی کشف شد که این اثر در سرامیک های قطبی شده باریوم تیتانات نیز می تواند ایجاد شود. به این صورت که با عبور دادن جریان مستقیم قوی از این کریستال ها و قطبی کردن آنها، این مواد تبدیل به مواد پیزوالکتریک می شوند و با توسعه این مواد، امروزه سرامیک های PZT ( سرب- زیرکونات-تیتانات) نقش اساسی را در توسعه تکنولوژی آلتراسونیک دارند.

برای تعریف دقیق خواص مواد پیزوالکتریک نیاز به کوپل کردن خواص مکانیکی با خواص الکتریکی این مواد می باشد. از طرفی این مواد ایزوتروپیک نیستند.  لذا برای مشخص کردن خواص یک ماده پیزو الکتریک در حالت کلی باید 45 پارامتر یا ضریب مشخص باشند که عبارتند از 21 ضریب الاستیک، 6 ضریب دی الکتریک و 18 ضریب پیزوالکتریک. مواد پیزو الکتریکی که در ساخت ابزارهای آلتراسونیک مورد استفاده قرار می گیرند عموماً دارای تقارن هندسی هستند. این تقارن هندسی تعداد ضرایب مورد نیاز برای تعریف خواص این مواد را به 15 ضریب کاهش می دهد که عبارتند از 10 ضریب الاستیک، 2 ضریب دی الکتریک و 3 ضریب پیزوالکتریک.

برای شبیه سازی عملکرد یک ترانسدیوسر آلتراسونیک در یک نرم افزار المان محدود مثل آباکوس، نیاز به تعریف خواص ماده پیزوالکتریک مورد استفاده در ساخت ترانسدیوسر برای نرم افزار می باشد. خواص کلی مواد پیزوالکتریک در کاتالوگ این مواد توسط شرکت های سازنده وجود دارد ولی تبدیل این اعداد به ماتریس های مورد نیاز نرم افزار آباکوس روابط خاص خود را دارد که این موضوع باید در شبیه سازی مد نظر قرار گیرد.