ترنسديوسر التراسونيک

ترنسدیوسر وسیله ­ای است که انرژی را از یک نوع به نوع دیگر تبدیل می­ کند. ترنسدیوسر التراسونیکی انرژی الکتریکی با فرکانس بالا را به موج صوتی (حرکت مکانیکی) که به صورت پالس آکوستیک یا موج فشار نامیده می­ شود، تبدیل می­کند. نمونه­ هایی از ترنسدیوسرهای شستشوی التراسونیکی در شکل 1 نشان داده شده است. دو نوع عمده ترنسدیوسر التراسونیکی وجود دارد:

• با محرکه مغناطیسی
• با محرکه پیزوالکتریک

که هر دو انرژی الکتریکی را به ارتعاشات مکانیکی تبدیل می ­کنند که تفاوت آنها در روش تبدیل است.

انواع ترانسدیوسر التراسونیکی

ترنسديوسر مگنتواستراکتيو (Magnetostrictive Transducer)

ترنسدیوسر با محرکه مغناطیسی از اصل مغناطیس شدن استفاده می­کند که طبق آن مواد فرومغناطیس در اثر میدان مغناطیسی متناوب تغییر ابعاد می­دهند. در ابتدا انرژی الکتریکی متناوب توسط کویل به میدان مغناطیسی متناوب تبدیل شده و این میدان با ایجاد تغییرات ابعادی در ورقه نیکلی یا سایر مواد فرومغناطیس به موج صوتی تبدیل می­شود یعنی ارتعاشات مکانیکی با فرکانس التراسونیکی تولید می­کند (شکل 2). در این حالت فرکانس ارتعاشی نصف فرکانس انرژی الکتریکی منبع است. به علت محدودیت­های مکانیکی از ترانسدیوسرهای با محرکه مغناطیسی (مگنتواستریکتیو) به ندرت در فرکانس­های بالای kHz20 استفاده می­شود. همچنین ترنسدیوسرهای مگنتواستریکتیو نسبت به نوع پیزوالکتریک راندمان کمتری دارند که دلیل اصلی این امر ناشی از دو تبدیل انرژی یعنی ابتدا انرژی الکتریکی به مغناطیسی و سپس مغناطیسی به مکانیکی است که مقدار راندمان در این تبدیلات کاهش می­یابد. به عبارتی در این نوع ترانسدیوسر حدود 50% از انرژی اعمالی به صورت حرارت از دست می­رود که سبب می­شود که پایین نگهداشتن دمای آنها در حمام شستشو مشکل باشد. همچنین این ترنسدیوسرها با شدت ولتاژ کم و جریان بالا به علت نیاز به پلاریزاسیون کار می­کنند.

شماتیک ترانسدیوسر با محرکه مغناطیسی

 ترنسديوسر پیزوالکتریکي (Piezoelectric Transducer)

ترنسدیوسر پیزوالکتریک با استفاده از اثر پیزوالکتریکی که در آن برخی از مواد تحت تاثیر میدان الکتریکی تغییر ابعاد می­دهند، بطور مستقیم انرژی الکتریکی را به مکانیکی تبدیل می­کند. انرژی الکتریکی با فرکانس التراسونیکی به کریستال­های سرامیکی پیزوالکتریکی اعمال می­شود و موجب تغییر ابعادی آن می­شود. با  قطع انرژی الکتریکی اعمالی، سرامیک به ابعاد اولیه خود بر می­گردد و به انبساط و انقباض تا دمپ کامل ادامه می­دهد. در زمان انبساط ترنسدیوسر، موج صوتی یا موج فشار منتشر می­شود. فرکانس موج فشار توسط فرکانس تشدید ترانسدیوسر (مشخصه ساخت) و فرکانس خروجی ژنراتور تعیین می­شود. از پیزوالکتریک­ها می­توان به کریستال­های کوارتز، تیتانات باریم، تیتانات زیرکونات سرب و PZT اشاره کرد. برخلاف ترنسدیوسرهای نوع مگنتواستریکتیو، نوع پیزوالکتریکی به راحتی در فرکانس­های بالا حدود MHz نیز کار می­کند. اکثر ترنسدیوسرهایی که برای مقاصد شستشو به کار می­رود، از نوع پیزوالکتریکی است.

تغییرات ساختاری پیزوالکتریک در اثر میدان الکتریکی

اگر ترنسدیوسر در معرض دمایی بیشتر از دمای کیوری (Curing) سرامیک قرار بگیرد، پیزوالکتریک دی­پلاریزه شده و خاصیت خود را از دست می ­دهد و به خوبی کار نمی­ کند. اگر ترنسدیوسر شستشوی التراسونیک بطور خشک به کار گرفته شود یعنی بدون مایع برای انتقال موج صوتی با شدت بالا، موجب شکستن یا تراشه شدن آن می­ شود.