П'єзоелектричні перетворювачі перетворять електричну енергію в енергію ультразвука. Дія їх заснована на зворотному п'єзоелектричному ефекті, що виявляється в деформаціях деяких кристалів під дією прикладеного до них електричного поля. Цей ефект добре виявляється у природного або штучно вирощеного монокристала кварцу або сегнетової солі, а також у деяких керамічних матеріалів (наприклад, у титанату барію). Змінне електричне поле частоти бажаного ультразвука подається через напилені металеві електроди, розташовані на протилежних гранях зразка, вирізаного певним чином з пьезоелектріка. При цьому виникають механічні коливання, які і розповсюджуються у вигляді ультразвука в суміжному рідкому або твердотільному середовищі. П'єзоелектричні перетворювачі у вигляді тонких кристалічних пластинок можуть випромінювати могутні ультразвукові хвилі частотою до 1 Мгц (у лабораторних умовах одержані частоти до 1000 Мгц). Довжина ультразвукової хвилі (обернено пропорційна частоті) дуже мала, тому з таких хвиль, як і з світлових, можна формувати вузьконаправлені пучки. Гідність керамічних пьезоелектріків полягає у тому, що з них можна відливати, пресувати або одержувати видавлюванням перетворювачі різних розмірів і форм. Такий перетворювач, виконаний у вигляді чаші сферичного контура, здатний сфокусувати ультразвукове випромінювання в малу пляму дуже великої інтенсивності. Ультразвукові лінзи фокусують звукові хвилі так само, як лупи фокусують світло.

Виявлення і вимірювання на ультразвуку. Енергія акустичного поля визначається в основному звуковим тиском і швидкістю частинок середовища, в якій звук розповсюджується. Звичний звуковий тиск в газах (повітрі) і рідинах (воді) має порядок 10-3–10-6 тиску навколишнього середовища (рівного 1 атм на рівні моря). Тиск ультразвукової хвилі перевершує це значення в тисячі раз і легко виявляється за допомогою мікрофонів в повітрі і гідрофонів у воді. Розроблені спеціальні засоби вимірювань для прийому і отримання кількісних характеристик ультразвукового випромінювання, особливо на високих частотах. Оскільки хвилі стиснення і розрідження в газах і рідинах міняють показник заломлення середовища, для візуалізації цих процесів створені оптичні методи. При віддзеркаленні ультразвука в замкнутій системі утворюється стояча хвиля, що впливає на випромінювач. У пристроях такого типу, званих ультразвуковими інтерферометрами, довжина хвилі в середовищі вимірюється з дуже великою точністю, що дозволяє одержувати дані про фізичні характеристики середовища. За допомогою інтенсивного ультразвукового пучка можна оцінити і зміряти тиск ультразвукового випромінювання, аналогічно тому, як це робиться при вимірюванні світлового тиску. Цей тиск пов'язаний з густиною енергії ультразвукового поля і дозволяє простим способом визначити інтенсивність ультразвукової хвилі, що розповсюджується.  

Ультразвук - це коливання з частотами, великими 20000Гц. Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, вживаних в промисловості і біології, лежить в діапазоні порядка декількох Мгц. Фокусування таких пучків звичайно здійснюється за допомогою лінз і дзеркал. Ультразвуковий пучок з необхідними параметрами можна одержати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титанату барію.

У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, звичайно використовуються механічні джерела . Спочатку всі ультразвукові хвилі одержували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

Свисток Гальтона.

Перший ультразвуковий свисток зробив в 1883 році англієць Гальтон.

Ультразвуковий свисток Гальтона з резонансною порожниною:

1 - стислий ;

2 - циліндровий поршень;

3 - кільцеве сопло;

4 - резонансна область;

5 - опорна стійка.

Ультразвук тут створюється подібно звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря в свистку Гальтона виконує "губа" в маленькій циліндровій резонансній порожнині. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю "губу"; виникають коливання, частота яких (вона складає близько 170 кГц) визначається розмірами і губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак.

Рідинний ультразвуковий свисток.

Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. В порівнянні з електричними джерелами ультразвука рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони володіють істотною перевагою. Оскільки ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища в іншу. Мабуть, найвдалішою є конструкція рідинного ультразвукового свистка, виготовленого англійськими ученими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років 20 століття. У ньому потік рідини під виходить з еліптичного сопла і прямує на сталеву пластинку.

Різні модифікації цієї конструкції набули досить широке поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується пластинка, що тільки коливається) такі системи довговічні і недорогі.

Сирена.

Інший різновид механічних джерел ультразвука - сирена. Вона володіє відносно великою потужністю і застосовується в міліційних і пожежних машинах. Всі ротаційні сирени складаються з камери, закритої зверху диском (статором), в якому зроблено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску, що обертається усередині камери, - роторі. При обертанні ротора положення отворів в ньому періодично співпадає з положенням отворів на статорі. У камеру безперервно подається стисле повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі і статорі співпадають.

Поперечний перетин ультразвукової сирени:

1 - мотор;

2 - ротор;

3 - статор;

4 - камера;

5 - отвір;

6 - вхідний отвір для подачі в камеру повітря.

Основна задача при виготовленні сирен - це, по-перше, зробити якомога більше отворів в роторі і, по-друге, досягти великої швидкості його обертання. Проте, практично виконати обидва ці вимоги дуже важко.

ЛІТЕРАТУРА

Баулан І. За бар'єром чутності. М., 1971

Хорбенко І.Г. Звук, ультразвук, інфразвук.