はじめに

超音波トランスデューサは魔法のように見えるかもしれません。静かなデバイスが、金属を溶接したり、汚れを落としたり、体内を見たりするのに十分な強力なエネルギーを生成します。しかし、それは魔法ではありません。それは物理学です。具体的には、それは圧電性と音響共振の科学です。この記事では、これらのデバイスがどのように機能するかの基本原理を、エンジニアと好奇心旺盛な心のために同様に分解します。

圧電効果

すべての中心にあるのは、1880年にキュリー兄弟によって発見された特性である圧電効果です。特定の材料（石英の結晶やPZTのようなセラミックスなど）は、機械的応力と電荷の間にユニークな関係を持っています。

• 直接圧電効果： 材料を絞る（機械的応力）と、電気が発生します。これが、ガスライターや一部のセンサーが機能する仕組みです。
• 逆圧電効果： 材料に電気を流すと、形状が変化（変形）します。これが超音波トランスデューサの基礎です。

トランスデューサでは、交流（AC）電圧を印加します。電圧が正の場合、結晶は膨張します。負の場合、収縮します。これを毎秒数千回（kHz）行うと、急速な振動が発生します。

周波数と共振

どんな周波数でも振動させることはできますが、最大の効率を得るには、共振周波数で動作する必要があります。

ワイングラスを指で弾くことを想像してください。それは特定の音（その共振周波数）で「歌い」ます。トランスデューサも同様です。その物理的寸法（厚さ、質量、形状）によって、自然に振動したい周波数が決まります。

• 厚みモード： ほとんどのトランスデューサでは、周波数は圧電素子の厚さに反比例します。薄い素子＝高い周波数。厚い素子＝低い周波数。
• インピーダンス整合： 共振時には、電気インピーダンスが低下し、ジェネレーターからトランスデューサへのエネルギー伝達が最大になります。

振動の伝播

圧電素子が振動すると、音波（圧力波）が発生します。しかし、これらの波はどこに行くのでしょうか？

1. フロントマス： 振動を負荷（水、プラスチック、体など）に向けます。通常、音響エネルギーを効率的に伝達するために、圧電セラミックよりも軽い材料（アルミニウムやチタンなど）で作られています。
2. バックマス： 重い金属ブロック（鋼鉄）が後部として機能し、音波を前方に反射して戻します。これは、銃の反動のようなものと考えてください。重いバックマスは、エネルギーが後方に無駄になるのではなく、前方に進むことを保証します。

波の種類

アプリケーションに応じて、さまざまな種類の波が生成されます。

• 縦波（圧縮波）： 粒子は波と同じ方向に移動します。これは、液体（洗浄）や気体中の音の伝わり方です。
• 横波（せん断波）： 粒子は波の方向に対して垂直に移動します。固体の欠陥検出（NDT）に使用されます。
• 表面弾性波（SAW）： 表面に沿って移動します。タッチスクリーンやフィルターに使用されます。

結論

超音波トランスデューサは、電気工学と機械工学の架け橋です。電気信号を物理的な力に変換することにより、それらは私たちが洗浄、測定、および製造する方法に革命をもたらしました。

Yujie Technologyでは、この科学を習得して、世界で最も効率的で信頼性の高い圧電コンポーネントを作成しています。基礎物理学を理解することで、より良い製品を設計し、お客様のアプリケーションにより良いサービスを提供することができます。