مبدلهای پیزوالکتریک در آزمایش با امواج فراصوتی

  حمید تازیکه و مهرداد افتخاری 

مقدمه
مبدل به وسیله ای گفته می شود که یک نوع از انرژی را به نوع دیگری تبدیل می کند. امروزه مبدل‌های متنوع زیادی وجود دارند که می توانند انواع مختلفی از انرژی را به یکدیگر تبدیل کنند. برای مثال، مبدل‌هایی که در آسفالت بزرگراه ها و خیابان ها مدفون می شوند و ارتعاش های مربوط به وسایل نقلیه را به الکتریسیته تبدیل می کنند. آن دسته از مبدل هایی که در آزمایش با امواج فراصوتی بیشتر مورد توجه هستند نیز وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی (صوت) و برعکس آن را بر عهده دارند.
پیزوالکتریسیته در سال ۱۸۸۰ میلادی توسط Jacques و Pierre Curie شناخته و معرفی شد. آنها کشف کردند که کریستال های تورمالین، کوارتز، توپاز، نیشکر و نمک راشل که از یک جهت مشخصی برش زده می شوند، هنگامی که نیروی های مکانیکی به آنها اعمال می شود یک پتانسیل الکتریکی در سطح مقطع برش تولید می کنند. کلمه پیزوالکتریک از کلمه یونانی پیزو به معنای «تحت فشار» و کلمه الکتریسیته استخراج می شود. در ادامه گابریل لیپمن(Gabriel Lippman) ریاضیدان، نتیجه گیری کرد که برعکس موضوع فوق نیز صادق است و هنگامی که یک بار الکتریکی اعمال می شود در کریستال برش خورده یک تغییر شکل مکانیکی رخ می دهد. در سال های ابتدایی، کریستال طبیعی کوارتز مورد استفاده قرار می گرفت ولی اخیرا مبدل هایی از جنس مواد پلی‌کریستال، پیزوسرامیک و فروالکتریکی مانند باریم تیتانات و زیرکونات تیتانات سرب توسعه یافته و استفاده می شوند. این مواد باعث عملکرد بهتر امواج فراصوتی شده اند.

پولاریزاسیون

صرف نظر از این که صفحه های مبدل از یک کریستال طبیعی کوارتز یا یک سرامیک مصنوعی پولاریزه شده ساخته می شوند، آنها را کریستال می نامند. در کریستال های پیزوسرامیکی، آرایش اختیاری و آزادانه محورهای قطبی در هر یک از بلورهای منفرد، در حالت طبیعی باعث خنثی شدن هر گونه اثر پیزوالکتریکی در آن ماده می شود. برای تحقق اثر پیزوالکتریکی در این مواد باید آنها را پولاریزه کرد. بدین منظور کریستال ها را باید تا دمای کوری(Curie temperature) حرارت داده و یک میدان مغناطیسی قوی به آنها اعمال کرد. این اقدامات باعث می شود تا دومین های (Domains) مختلف الجهت موجود در آنها خطی شده و یک پولاریزاسیون در آنها باقی بماند. روش ارتعاش در آنها تابع جهت پولاریزاسیون آنها است. به طور متقابل، اگر یک مبدل تا دمای کوری حرارت داده شود، دپولاریزه (De-polarize) می شود و اثر پیزوالکتریکی خود را از دست می دهد.
در مورد کریستال های طبیعی، روش ارتعاش آنها به وسیله جهت برش آنها در کریستال تعیین می شود ولی برای سرامیک های پیزوالکتریک، از جهت پولاریزاسیون برای تعیین روش ارتعاش آنها استفاده می شود. شکل ۱الف، سه محور و دو صفحه برش را در یک کریستال کوارتز نشان می دهد، که یکی را صفحه برش (X (X-cut و دیگری را صفحه برش (Y (Y-cut می نامند. هنگامی که یک کریستال به نحوی برش زده شود که محور X عمود بر صفحه برش باشد آن را صفحه برش X و اگر صفحه برش عمود بر محور Y باشد آن را صفحه برش Y می نامند. کریستال های با صفحه برش X ارتعاشی را در راستای ضخامت و کریستال های با صفحه برش Y ارتعاش هایی برشی و عمود بر راستای ضخامت کریستال تولید می کنند. شکل ۱ب، نوع تغییر شکل های مکانیکی در هر دو نوع برش کریستال ها را هنگام اعمال ولتاژ الکتریکی نشان می دهد.

در کریستال های پیزوسرامیکی، آرایش اختیاری و آزادانه محورهای قطبی در هر یک از بلورهای منفرد، در حالت طبیعی باعث خنثی شدن هرگونه اثر پیزوالکتریکی در آن ماده می شود. برای تحقق اثر پیزوالکتریکی در این مواد باید آنها را پولاریزه کرد. بدین منظور، کریستال ها را باید تا دمای کوری(Curie temperature) حرارت داده و یک میدان مغناطیسی قوی به آنها اعمال کرد. این اقدامات باعث می شود تا دومین های (Domains) مختلف‌الجهت موجود در آنها خطی شده و یک پولاریزاسیون در آنها باقی بماند. روش ارتعاش در آنها تابع جهت پولاریزاسیون آنها است. به طور متقابل اگر یک مبدل تا دمای کوری حرارت داده شود، دپولاریزه(De-polarize) می شود و اثر پیزوالکتریکی خود را از دست می دهد.
در آزمایش با امواج فراصوتی به طور مشخص از کریستال های دارای صفحات برش X استفاده می-شود که موج های طولی یا فشاری تولید می کنند و در موارد بسیار کمی نیز از کریستال های با صفحات برش Y استفاده می شود.

پالس سازی (Pulsing)
برای تولید یک موج صوتی، در دستگاه های التراسونیک پالس های کوتاه و پیوسته ای از انرژی الکتریکی به سوی مبدل ارسال می شود. اعمال ولتاژ الکتریکی به کریستال، باعث منبسط شدن کریستال می شود. هنگامی که ولتاژ با سرعت زیادی قطع و وصل می شود به دلیل تمایل کریستال برای بازگشت به حالت و اندازه اولیه و اصلی خود، شروع به ارتعاش می کنند و موج صوتی به وجود می آید. برای افزایش انرژی پرتو صوتی تولید شده باید انرژی پالس ها را افزایش داد.
بسیاری از تکنسین ها به اشتباه بر این باورند که با تنظیمات گِین (Gain setting) دستگاه، می توان انرژی اعمالی به قطعه را افزایش داد. در حالی که این تنظیمات فقط انرژی دریافتی از داخل قطعه را افزایش می دهد. هنگام استفاده از فرکانس های بیشتر از MHz10 باید احتیاط کرد که ولتاژهای بالا به کریستال پیزوالکتریک وارد نشود زیرا باعث آسیب دیدن آن می شود. در واقع مقادیر ولتاژ قابل اعمال در فرکانس های بالا باید توسط سازنده پرآب ها مشخص و اعلام شود. در صورت تردید یا عدم وجود عدد مشخصی برای ولتاژ اعمالی، توصیه می شود تا از بیشینه ولتاژ ۱۰۰ ولت برای پرآب های حاوی کریستال های با فرکانس بالا استفاده شود.

فرکانس (Frequency)
فرکانس یک مبدل تابع ضخامت کریستال پیزوالکتریک آن است. کریستال باریک تر فرکانس بیشتر و کریستال ضخیم تر فرکانس کمتری تولید می کند. پس از برخورد یک پالس الکتریکی ارسالی از پالسر، حلقه‌هایی از فرکانس هم‌نوا تولید می شود.

طول پالس و میرایی (Pulse length and damping)
طول پالس اصطلاحی است برای بیان مدت زمان استفاده شده برای توقف یک کریستال پس از برانگیخته شدن (شروع ارتعاش) آن. در مبدل های تولید شده، برای کنترل و همسان سازی طول پالس ها از قطعه پشت بند یا میراکننده(Damping or backing slug)استفاده می شود (شکل ۲). برای تولید کوتاه ترین زمان پالس، مواد میراکننده بیشتری اعمال می شوند زیرا استفاده از پرآب های خاص با طول پالس های کوتاه تر، موجب تفکیک(Resolution) بهتری خواهد شد.

برای نشان دادن ارتباط بین قدرت تفکیک و طول پالس می توان از دو پرآب یکسان با فرکانس مشابه ولی با طول پالس متفاوت برای یافتن سه سوراخ در عمق و فاصله نزدیک به یکدیگر استفاده کرد. این عمل را می‌توان روی بلوک تفکیک AWS انجام داد (شکل ۳). براساس فاصله زمانی سوراخ ها از سطح قطعه، باید سه اکو با فواصل زمانی کوتاهی از یکدیگر و به صورت مجزا ظاهر شوند (T2-T1 و T3-T2).
اگر زمان ارتعاش کریستال از این فاصله های زمانی بیشتر باشد، ممکن است از هر سه سوراخ فقط یک نشانه یا اکوی بزرگ ظاهر شود. در این صورت قدرت تفکیک ضعیف می‌شود. همچنین ممکن است که از هر سه سوراخ، توسط هر دو پرآب سه اکوی مجزا نیز مشاهده شود، ولی پرآب با طول پالس های کوتاه تر به طور آشکارا قدرت تفکیک بهتری را نشان می دهند (شکل ۴).

پرآب های مورد استفاده در اغلب کارها، میرایی متوسطی دارند که آنها را پرآب های با پهنای باند باریک(Narrow band probe) می نامند زیرا به محدوده فرکانس های باریک واکنش نشان می دهند. همچنین پرآب های دارای میرایی بالا که به محدوده فرکانس های وسیع و عریض واکنش نشان می دهند را پرآب های با پهنای باند عریض(Broad band probe)می‌نامند. یک پرآب MHz5 با پهنای باند باریک ممکن است به محدوده فرکانس های بین ۴ تا ۶ مگاهرتز واکنش نشان دهد در حالی که یک پرآب با پهنای باند عریض ممکن است به محدوده وسیع تری از فرکانس ، برای مثال بین ۵/۲ تا ۵/۷ مگاهرتز، واکنش نشان دهند.
طول پالس را می توان با ضرب تعداد سیکل ها در طول موج اندازه گیری کرد. از آنجایی که طول موج را می‌توان با تقسیم کردن سرعت صوت در ماده تحت آزمایش بر فرکانس پرآب تعیین کرد، مشهود است که مشابه با افرایش میزان میرایی در پرآب، با افرایش فرکانس نیز می توان طول پالس های کوتاه تری را تولید کرد. شکل (۴) بازتاب های دیواره پشتی تولید شده توسط دو پرآب مشابه که میرایی متفاوتی دارند را نشان می دهد. پر واضح است که طول پالس پرآب های با پهنای باند عریض کوتاه تر از طول پالس در پرآب های با پهنای باند باریک است. پالس در پرآب دارای پهنای باند عریض تقریبا ۵/۲ قسمت و در پهنای باند باریک تقریباً ۴ قسمت از صفحه را اشغال کرده است.

انواع پرآب
در اساس دو نوع پرآب طراحی شده است. نوع اول را پرآب های تک جزیی(Single-element probes) و دیگری را پرآب های دو جزیی(Dual-element probes) می نامند. پرآب های تک جزیی دارای یک کریستال پیزوالکتریک هستند که باید انرژی صوتی را ارسال و در ادامه انرژی صوتی بازتاب یافته و برگشتی به سوی پرآب را دریافت نماید. در این پرآب ها هنگامی که کریستال در حال ارسال انرژی است، تحلیل سیگنال های دریافتی بسیار مشکل است. این موضوع باعث پیدایش پدیده ای به نام منطقه مرده(Dead zone) می شود. در صورتی می توان یک ناپیوستگی را که اکوی آن در منطقه مرده کریستال قرار می گیرد شناسایی کرد که قدرت تفکیک کافی در امواج التراسونیک تولید شده توسط کریستال موجود باشد که این موضوع با توقف ارتعاش کریستال پیش از دریافت انرژی های بازتاب یافته از داخل قطعه امکان‌پذیر است. بنابراین می توان نتیجه گیری کرد که در عمل ناپیوستگی های موجود در این ناحیه با پرآب های تک جزیی قابل شناسایی نیستند. با مراجعه به شکل (۵) می توان منطقه مرده را در صفحه CRT مشاهده کرد و شامل ناحیه ای است که سیگنال های آغاز کننده صفحه A-scan در آن وجود دارند. بسیاری از تکنسین ها این سیگنال ها را پالس آغازین یا بانگ اصلی(Initial pulse or main bang) می نامند که طول منطقه مرده متناسب با پهنای آن در صفحه CRT می باشد. این پرآب ها معمولاً برای مواد ضخیم استفاده می شوند.

پرآب های دو جزیی شامل دو کریستال هستند که در کنار یکدیگر و در انتهای مبدل قرار گرفته و تنظیم می شوند. یکی از کریستال ها فرستنده و دیگری دریافت کننده انرژی صوتی است (شکل ۶ را مشاهده کنید). وجود یک فرستنده و یک گیرنده مجزا باعث حذف شدن منطقه مرد ه ای می شود که در پرآب های تک جزیی دیده می شود. به علاوه پرتو صوتی به دلیل عبور کردن از ماده ای که در حد فاصل سطح جلویی و کریستال (خط تاخیری(Delay line)) قرار دارد، باعث می شود تا اثر منطقه نزدیک به جای وقوع در قطعه تحت آزمایش در آن حد فاصل قرار گیرد و اختلال های صوتی ورودی حذف شوند و امکان بازرسی قطعات نازک نیز فراهم شود. در اغلب پرآب های دو جزیی، کریستال ها با زاویه اندکی نسبت به یکدیگر قرار گرفته اند که این زاویه باعث متمرکز شدن انرژی پرتو صوتی در یک عمق معین می شود. این زاویه را زاویه سقف(Roof angle) می نامند. بسیاری از تکنسین ها هنگام انجام کالیبراسیون با بلوک پله ای از این موضوع آگاه هستند که دامنه (Amplitude) مربوط به پله ۲/۰ اینچی (۵ میلی متری) به ویژه پله ۱/۰ اینچی (۵/۲ میلی متری) در مقایسه با پله های دیگر بلوک بسیار کمتر است. این مساله ناشی از زاویه سقف پرآب است. از آنجایی که این پله ها در عمقی کمتر از نقطه کانونی به وجود آمده توسط زاویه سقف پرآب قرار دارند دارای دامنه بسیار کمتری هستند. پرآب های دو جزیی هرگز نباید پیش از اندازه گیری محدودیت های مربوط به حساسیت سنجی که به دلیل زاویه سقف و متمرکز شدن دسته پرتوها است مورد استفاده قرار گیرند. این حساسیت سنجی را می توان به وسیله یک قطعه که دارای سوراخ های جانبی در عمق های مختلف است به آسانی انجام داد. رسم یک منحنی دامنه ـ مسافت(DAC) (Distance Amplitude Curve) ساده می تواند محدوده حساسیت را به وضوح نشان دهد.

پرآب های دو جزیی متفاوتی با عمق های کانونی متفاوتی طراحی شده اند. هرگز نباید فرض شود که یک پرآب دو جزیی با وجود این واقعیت که پالس آغازین ندارد، می تواند ناپیوستگی های نزدیک به سطح را شناسایی کند. عدم مشاهده پالس آغازین در صفحه نمایش دستگاه التراسونیک کالیبره شده می تواند به اشتباه باعث پیدایش فرضیه قابلیت شناسایی ناپیوستگی های نزدیک به سطح شود.

نتیجه گیری
متغیرهای بسیار زیادی برای انتخاب یک پرآب متناسب با کاربرد مورد انتظار وجود دارد. درک و فهمیدن همه مباحث فوق توسط تکنسین ها برای انتخاب صحیح و آگاهانه پرآب مورد نیاز به جای استفاده از یک پرآب مشخص و دائمی، بسیار ضروری است. از متغیرهای مهم که در مباحث فوق مطرح شده اند می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• برای تشخیص عیب‌های احتمالی بسیار نزدیک به یکدیگر، بهتر است از پرآب‌های حاوی مبدل‌های پیزوالکتریک با طول پالس کوتاه استفاده شود که دارای قدرت تفکیک بهتری هستند. استفاده از مبدل های پیزوالکتریک با فرکانس بالا، یکی از راه های ایجاد طول پالس های کوتاه است که به دلیل نازکتر شدن ضخامت کریستال و محدود شدن میزان ولتاژ اعمالی باید با دقت انتخاب شود.
• ضخامت قطعه تحت آزمایش در انتخاب پرآب های تک جزیی یا دو جزیی می تواند موثر باشد، اگر چه محدودیت عدم شناسایی ناپیوستگی های نزدیک به سطح برای هر دو نوع وجود دارد. پرآب های تک جزیی برای قطعات ضخیم و پرآب های دو جزیی، مشروط بر انجام حساسیت سنجی، برای قطعات نازک پیشنهاد می شوند.