压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计
1回顾一下阻抗的基本概念
在直流电路里欧姆定律规定了器件的电阻等于器件两段的电压与流过器件的电流之比
其中R的单位是欧姆V的单位是伏特I的单位是安培
在交流电路里电阻的定义被扩展加入了随时间变化而变化的电压电流的相位关系阻抗Z代表交流等效电阻而且同样是电压与电流的比值
在这里电压V(t)与电流I(t)都是时间的函数
与电阻一样阻抗同样用欧姆作为单位不同之处是阻抗用复数来表示任意一个复数都可以用A+jB这样的形式来表示一个复数包含两个部分实部A和虚部jB根据定义1
j?
=这意味着j的平方的结果是1
2换能器等效电路
在狭窄的谐振频率范围内压电陶瓷换能器的模型可以用以下等效电路来表示
串连电感L和电容C是换能器固有的跟串连谐振频率有关这个串连谐振频率可以用等效电感L和电容C来表示
在谐振频率下串连等效电容C的容抗X C 完全抵消掉串连等效电感的的感抗X L 从而换能器阻抗|Z|达到极小值R 在f r 附近换能器相当于一个效率达到极值的发射体
并联等效电容C 0与L,C一起产生了另外一个谐振频率并联谐振频率f a 对于压电陶瓷换能器并联谐振频率通常比串连谐振频率高几KHz f a 可用下面的等式表示
在这个并联谐振频率里换能器的阻抗达到最大值在这个频率附近换能器可以等效为一个效率最高的接收器
值得注意的是总体并联等效电容包括整个系统中的传输电缆连接器回波检测电路以及发射电路的等效电容所以常常需要尝试改变并联谐振频率同样值得注意的是总体并联等效电容相当于一个交流负载不但减小接收信号的振幅而且需要发射电路提供更大的电流这个总体并联电容产生的影响在给定的频率范围内可以通过选取一个合适的串连电感或者并联电感来降低外部等效并联电容对换能器的串连谐振频率没有影响
3 品质因数
换能器的品质因数Q是一个衡量换能器储存能量特性与耗散能量特性之间的关系的量Q用谐振时储存在换能器里的能量来表示Q还可以用以下等式来描述
Q还可以用换能器在谐振频率附近的频率响应来描述
其中f是换能器的-3dB带宽中心频率f r 就是串连谐振频率从等式可看出换能器在固定的串连谐振频率下Q值越大其带宽就越小
4 换能器两端的等效阻抗 通常需要得到在特定频率下换能器两段呈现的特性为了这个目的我们的等效电路可以更进一步简化在一个特定频率下除了谐振频率C和L之中会有一个起到主要作用因而换能器两端将呈现出容性或者感性这两种情况可以用下图表示
其中Rs串连等效电阻Xs串连等效电抗
注意Rs和Xs是跟频率密切相关的
串连模型不便于计算调谐匹配电路因而我们通常把串联等效电路Figure3和
Figure4转换为等同的并联等效电路Figure5和Figure6
Rp和Xp的值由Rs和Xs经过下面的公式转换得到
跟Rs和Xs一样Rp和Xp的值跟频率密切相关
假设Xp是容性那么相应的并联等效电容的值是
即使Xp是感性上面的等式依然适用只是此时计算出来的Cp是负值
换能器的频率特性可以用以下单位来方便地描述阻抗值和阻抗角|Z|和
不管是串连等效电阻和串连等效感抗Rs jXs并联等效电阻和并联等效容抗Rc jXc还是导纳和电纳G jB
5测定换能器谐振电阻
以下的步骤可以测量出换能器在谐振时的大致等效电阻R谐振时R Rs Rp
尽管不是十分完美在实际应用中通过这个测量步骤可以获得足够高精度的结果
注意以下事项
a在这个测量中换能器工作在不平衡状态一端接地
b如果在给定频率下换能器两端的电压幅值不足够高那么测量得到的结果更接近于|Z|而不是R当然了测量到的结果不包含相位特性感性或容性
所需设备
a正弦信号发生器
b可变电阻或者50到5000欧姆的固定电阻
c示波器
d欧姆表
测量步骤
1按照Figure7连接好电路将电阻大约设置为1000欧姆如果是水声应用还需要把换能器浸入水中
2调整正弦信号发生器的输出频率直到从示波器上看到的波形的幅值达到最小谐振时换能器等效阻抗达到最小值此时的频率就是谐振频率并且应该落在换能器的标称工作频率附近的几KHz范围内
3断开换能器的一端并且把可调电阻调节为0欧姆测量开路时的信号电压4重新连接好换能器调节可调电阻直到测量到的信号电压变为开路时的信号电压的一半为止
5小心取下可变电阻用欧姆表测量它的电阻
6换能器在选定频率下的等效电阻就是可变电阻的阻值加上正弦信号发生器的输出电阻即内阻
6压电陶瓷换能器的匹配设计
在本章里将简单介绍压电陶瓷换能器与电源的大致匹配设计最佳的匹配将实现最大的发射功率并且得到最强的回波
在普通应用环境里给一个换能器例如一个水深探测器馈送能量是相当简单的事情当然了如果懂得基本原理只要稍微作一些改动就可以使其适应特别的环境
像大部分电抗负载一样压电陶瓷换能器可以呈现为一个串连等效电阻和电容这两个值都和频率有关
根据经典转换理论串连电路可以转换为一个完全等效的并联电路如下图所示然而不幸的是转换后的参数同样跟频率密切相关
解决这些参数中由频率带来的变数的方法是让其工作在所要求的频率下废话
例如在水声接收应用里这个频率就是最佳接收频率在这个准确的频率下压电陶瓷换能器的等效电阻和等效电容可以用测量得到或者直接由换能器的制造厂商提供
最简单的匹配方法是用一个合适大小的电感并联在换能器两端使其与换能器的并联等效电容发生谐振从而换能器呈现出的阻抗大小接近于并联电阻Rp如果合成负载的阻抗太高以至于不能直接跟电源匹配则可以把电感换成变压器以实现高阻抗到低阻抗的变换
具体实现过程和经典的RF调谐匹配一样首先电感的品质因数Q值必须是合适大小的通常是57
如果Q值过低可以增加一个电容C
并且减小电感量直到换能器重新变成阻性
I
负载在这里为了跟电源得到匹配需要增加一组低阻抗的初级线圈初级线
圈和次级线圈的匝数比就是初级阻抗和次级阻抗的平方根之比尽管如此提高匝数比是受到限制的对于普通的用铁氧体磁棒和铁氧体外壳缠绕的电感而言匝数比最大大约可以达到221想要达到更大的匝数比则需要换成环形磁芯这是因为环形磁芯的磁耦合系数要比其它现有类型的磁芯大就磁耦合系数而言罐形磁芯的性能介于环形磁芯和棒状磁芯之间
在前面关于调谐匹配的讨论中前提都假设电感线圈是无损耗的至少相对于换能器的等效电阻而言是可以忽略不计的
要检验这其中是否有问题必须试制计算出来的线圈的样品并通过测量获得它的参数如果拥有一台阻抗分析仪可以在线圈山串连一个经过计算得到的电容然后调整频率使支路的端口电流与端口电压同相位L和C谐振此时阻抗分析仪能直接显示等效电阻值如果没有阻抗分析仪可以用下图所示的方法来测量线圈的分布电阻Rp
先调整频率使检测到的相位差为0L和C谐振此时测量到的电压幅值应达到最大值分别将频率调低和调高测量出比最大响应小3dB对应的两个频率值此时
其中F L 是较低的频率
F H 是较高的频率
线圈的等效电阻为
线圈的线圈的等效电阻应该被看作并联在换能器等效电阻上如下图所示
此时匹配线圈与匹配电容必须根据最新测量到的结果进行重新计算
同样地现在有效的输出功率需要重新考虑若线圈的等效电阻与换能器的等效电阻相等则只有一半的能量被换能器发射出去所以应该使线圈的等效电阻相对于换能器的等效电阻而言尽可能大
如果线圈已经设计好并且已经安装到电路板上可以通过在线圈上并联一个与换能器并联等效电容大小相同的电容的方法来测量线圈的等效电阻
然后改变并联在电感线圈上的负载电阻R L 并计算电源输出功率
当工作在换能器的谐振频率时随着R L 的变化应该得到较宽的峰值功率响应如果得不到那么应该调整匝数比或者Q值
这种调谐匹配方法的优点是
a 所用的器件少成本低
b 电缆的阻抗最高因为损耗最小
c 如果要延长电缆只需要简单添加一些固定电容器
另一个也许值得考虑的方法是利用换能器的串连等效值实现调谐
在这个方案里需要在换能器上串连一个电感以抵消换能器串连等效模型中的容抗电感等效电阻将串连在换能器上这个方案的缺点是需要增加另外一个电感因为总串连电阻还是比半导体电源的输出电阻大的多而且负载电流需要流过电感等效电阻使损耗增加效率降低
7具体设计例子
假设有一个换能器需要工作在最佳接收状态工作频率是196.0KHz并且串连等效Rs和Xs已经测量得到151j239 C3398pF
由于谐振时Xc X
L 电感的感抗为334.4欧姆
计算这个情况下的Q值
计算出来的Q值太低所以必须添加电容让我们将带负载下的Q值设为6来计算
现在C的数值是
所以要添加的电容是C9204-24286776pF
为了与晶体管电源匹配经过计算初级线圈阻抗为3.6欧姆匝数比为
这个值过小以至于可能需要用到带棒状磁芯的可调线圈如果一个71.6微亨的线圈需要55匝那么初级线圈将需要4.5匝
初级线圈应该尽可能紧密地缠绕在次级线圈上以得到最大的耦合系数Use the start of the secondary coil as the high impedance end.
8传入换能器的功率
如果已知换能器的并联等效电阻则功率可以用下面的等式直接计算
E is RMS volts
R is the parallel resistance of t
当然了可以通过用示波器观测电压峰峰值的方法测量负载上的电压如果传输信号是正弦波必须除以2.83转换为RMS电压
如果在计算里没有用到并联等效电阻那么可能会用到串连等效电阻但是这样做会有一点棘手
9 在接收模式下的调谐匹配系统需要考虑的问题 一旦发射电路的调谐匹配工作完成还需要针对接收电路考虑些什么问题呢如果接收部分电路的输入阻抗很高并且有很大的裕量那么就可以直接通过发射调谐匹配电路取得信号
如果接收电路输入阻抗裕量不够大甚至过小那么就必须采用另外的方法才能充分发挥出换能器应有的性能来同样需要采取一些措施来防止发射电压对接收电路造成破坏
如果变压器的耦合系数较大那么一个较小的Q 值是比较适合的逐步减小添加的电容的容量并增加次级的电感量以维持谐振保持初级电感量不变在极端情况下甚至不用外加电容光靠换能器自身的固有电容就可以实现谐振这样将需要更高的匝数比并且在耦合系数高的情况下还能增加输出电压
需要注意的是当Q值小于或等于7时等式X L =X C 将不再成立在这样的条件下只有当有关于低Q值调谐匹配方面的应用笔记出现后才能细心地一步步地根据经验将系统调试成功
10 平衡与不平衡 驱动换能器的方法是由回波探测器设计师们发明的不平衡系统往往使得电信号测量更简单和容易一个不平衡的配置需要一个容量更高的电容并联在换能器上平衡系统通常需要在输出变压器上增加第三个绕组以馈送不平衡信号给接收器当屏蔽层的泄漏都相同时平衡传输线的噪声要比不平衡传输线小
Airmar 通常用带屏蔽层的双绞线连接压电陶瓷元件换能器的连接根据需要可以选用平衡传输线或者不平衡传输线
11
注这是为了方便自己计算有选择翻译的意译很不严谨读者最好自己看原文^_^
原文出处Airmar 公司 原文标题Ultrasonic Air-Ranging Transducers and Application Notes 购买探头的时候带的
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
燕山大学 本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：超声波换能器优化设计与实验 学院（系）：里仁学院 年级专业：工业自动化仪表2班 学生姓名：孙骏 指导教师：童凯 完成日期： 2013年3月27日
一、课题国内外现状 超声技术出现于20世纪初期.它是以经典声学理论为基础,同时结合电子学、材料学、信号处理技术、雷达技术、固体物理、流体物理、生物技术及计算技术等其他领域的成就而发展起来的一门综合性高新技术学科。近一个世纪的发展历史表明,超声学是声学发展中最为活跃的一部分,它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用,而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航天等高技术领域。 超声技术已成为国际上公认的高科技领域.随着科学技术的发展,超声技术必将在我国的国民经济建设中发挥越来越大的作用。超声换能器是超声技术中的一个重要组成部分,其研发水平直接决定了超声技术的发展及应用广泛程度。超声换能器的研究是一门综合技术,其发展与现代科学技术密切相关.电子技术、自动控制技术、计算机技术以及新材料技术是影响超声换能器发展水平的一些重要的高新技术。 1、超声换能器的种类 目前超声换能器的种类有很多。按照能量转换的机理和所用的换能材料,可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器(电容型换能器)、电磁声换能器、机械型超声换能器等.按照换能器的振动模式,可分为纵向(厚度)振动换能器、剪切振动换能器、扭转振动换能器、弯曲振动换能器、纵-扭复合以及纵-弯复合振动模式换能器等。按照换能器的工作介质,可分为气介超声换能器、液体换能器以及固体换能器等.按照换能器的工作状态,可分为发射型超声换能器、接收型超声换能器和收发两用型超声换能器。按照换能器的输入功率和工作信号,可分为功率超声换能器、检测超声换能器、脉冲信号换能器、调制信号换能器和连续波信号换能器等.按照换能器的形状,可分为棒状换能器、圆盘型换能器、圆柱型换能器、球形换能器及复合型超声换能器等。另外,不同的应用需要不同形式的超声换能器,如平面波超声换能器、球面波超声换能器、柱面波超声换能器、聚焦超声换能器以及阵列超声换能器等等。 2、超声换能器的性能参数 超声换能器是一种能量转换器件,其性能描述与评价需要许多参数。超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、
超声波换能器 一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。 换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。 压电陶瓷超声换能器工作原理 压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。 超声波换能器是将电能转换成机械能（超声波）的器件，其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。[1] 将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器，换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。 现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。 我们主要生产大功率超声波换能器，应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。磁致伸缩 磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低，使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。 镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以很少使用。 压电晶体 最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01um以下的变形。 钛酸钡的压电效应比石英晶体大20-30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。 锆钛酸铅具有二者的优点，可用作超声波清洗，探伤和小功率超声波加工的换能器。 压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。 按实现的作用分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测以及超声波雾化等。 编辑本段外形分类
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。 关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性 0 引言 压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。 为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。 本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。 1 测量参数和实验方法依据 目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下： GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法 GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法 GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法 GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）
概念题： 1．换能器：能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量与电的信息和能量装换的装置，就称为电声换能器，简称换能器。 2．等效电路法：将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程，根据电路的规律可以得到电路状态方程，根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图来求得。（优点：物理意义明确，缺点：通常是一维分析，适用于简单结构） 3．有限元法：是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分析模型想象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将单元内部点的状态用单元节点状态的差值函数来近似描述。 这样就将实际的物理问题转化成求解单元节点状态的代数方程组问题。（优点：分析任意结构的换能器；结果直观准确；工作状态仿真；应用广泛） 4．居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度时压电性能会完全消失。5．自发形变：在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关，t>Tc(居里温度)，立方晶胞；t 上海谐鸣超声设备有限公司 谐鸣超声技术支持：电话013681952953（王工）、QQ 2564620565 1 压电换能器的主要技术参数 压电（超声）换能器的技术参数较多，大致有以下一些： 1、灵敏度：指换能器转化能量的效率，高灵敏度表示高的转化效率； 2、谐振（工作）频率：指换能器谐振时的频率，谐振时，换能器灵敏度趋 于最高，该参数和系统紧密相关； 3、指向性：指换能器辐射面各方向角度发射或接收信号的强度变化，一般 测试换能器主声轴的一个平行截面，测距、定位、成像时需考虑该指标； 4、盲区（余振）：指换能器余振或拖尾的严重程度，即驱动信号结束后，换 能器自身惯性振动持续的时间，测距成像类换能器需检测该指标； 5、耐温性：指换能器能正常工作的高低温极限； 6、耐压力性：指换能器能正常工作的高低压力极限； 7、电参数：指换能器本身的阻抗（导纳）、容值、感值等，和系统匹配相关； 8、振幅：指换能器在固定驱动电压下的振动幅度，和灵敏度基本类似，利 用换能器的动能时需参考该指标； 9、电压极限：指换能器可加的最大电压值，大功率超声系统特别需考虑该 指标，电压长期超过该值易引起压电陶瓷的退极化； 10、密封性：指换能器在液体中的密封性，水下换能器需考虑该指标； 11、耐腐蚀性：指换能器对腐蚀性环境抵抗能力，腐蚀性环境下应用需考虑 该指标； 12、带宽：指换能器灵敏度的平坦程度，或对不同频率信号的兼容程度； 13、其他：如重量、体积、外形尺寸、外壳材料、信号引出方式、换能器安 装接口类型等。 以上罗列的是换能器主要指标参数，不同的仪器设备、不同的应用环境和场合要求不太一样，有一定的选择性，并不是指标越多、要求越高越好，如有的场合要求指向性越尖越好，而有的场合又希望指向性的开角大些好。此外，每增加一项考核指标，都会同时增加换能器制造者、使用者的工作量和成本，部分指标会导致换能器制造工作量和成本成倍的增加，这没有必要，只有选择和系统或使用场合相应的指标参数才是合理有效的。 超声造影剂声学特性的优化设计与实验测定1 宗瑜瑾，万明习，王素品，陈红 西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室，生命科学与技术学院，西安(710049) E-mail：mxwan@https://www.doczj.com/doc/ea12969193.html, 摘要：本文基于超声造影剂微泡在声场中的理论振动模型，建立了用于对超声造影剂的声学特性进行优化设计与分析的计算机辅助设计系统。利用该系统，从理论上计算和估计不同的微泡半径、声压等参数对微泡的基波和二次谐波的影响，以得到获得最佳二次谐波特性的声学条件。并在此基础上，对优化条件下超声造影剂的声学特性进行了体外声学实验测定。实验结果表明，该优化设计系统的计算结果在一定范围内能够与实验结果较好地吻合，可从理论上对造影剂的制备和应用进行指导。 关键词：超声造影剂，声压，基波，二次谐波 1．前言 与其它成像模式中造影剂的作用类似，超声造影剂(Ultrasound contrast agent, UCA)是一类能够显著增强医学超声成像信号的诊断试剂。由于超声造影剂与周围组织的声阻抗差高、共振散射强，可显著增强在组织背景下血液流动中UCA的散射信号，所以在微血管血流灌注成像方面具有很大的潜力[1-5]。目前，超声造影剂已从当初的自由气泡发展成为蛋白质、表面活性剂、脂类或聚合物等包膜并包裹高分子量难溶气体的微泡。包膜的存在增加了微泡的“寿命”，使微泡内的气体不容易溶解、扩散到周围的血液中，提高了微泡的稳定性。但是包膜的存在又影响了微泡在声场中的振动，使得微泡在声场中的行为变得更加复杂[6-9]。 为了能够更好地了解超声造影剂在声场作用下的振动，找到其用于基波增强、谐波成像等不同成像模式时的最佳工作条件。本文基于单个超声造影剂在声场中振动的理论模型，建立了超声造影剂声学特性的优化设计分析系统，用于微泡声学特性的计算机辅助设计和分析。从理论上计算不同声学参数的条件下超声造影剂的半径振动曲线和散射回波，并利用体外声学测试系统测定了自制的JD-95型超声造影剂在不同优化条件下的声学特性。 2．材料与方法 2.1 超声造影剂 本文所用的自制超声造影剂JD-95 是在通入六氟化硫(SF6)气体的情况声 振Span 和Tween等表面活性剂溶液［10］ 制得。采用Multisizer 3颗粒自动分析仪 (Beckman-Coulter公司，美国)测量该造 影剂的粒度分布与浓度，得到其粒度分 布如图1所示，平均粒径为1.495um， 图1 JD-95的粒度分布曲线 90%以上的微泡直径在10um以下，浓 度为3.8×109个/ml。 1本课题得到国家自然科学基金（No.30270404，69925101）及国家863计划（No. 2004AA218020）项 目的资助。 第三章医用超声换能器 应用超声波进行诊断时，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使用超声换能器可以解决这个问题。 目前医学超声设备大多采用声电换能器来实现超声波的发射与接收。 声电换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。 电场式中，利用电场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它又分为压电式、电致伸缩式、电容式。 磁场式中，是借助磁场的力效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。 在医学超声工程中，使用的最多的是压电式超声换能器。 §3.1 压电效应与压电材料特性 一、压电效应 压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。 图3-1 压电效应示意图 对某些单晶体或多晶体电介质，如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等，当沿着一定方向对其施加机械力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应表面上便 产生符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械力大小成比例；而且当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。 如果在电介质的两面外加交变电场时，电介质产生压缩及伸张，即产生振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产生机械波。如外加交变电场频率高于20KHz，则这种波即是超声波。 超声接收换能器采用了正压电效应，将来自人体中的声压转变为电压。超声波发射换能器采用了逆压电效应，将电压转变为声压，并向人体发射。 压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，又具有逆压电效应。医学超声设备中，常采用同一压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时工作。 当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。 实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。 二、压电材料 具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件。 目前已发现的压电材料品种繁多，性能各异，按系列可分为三大类。 （一）压电单晶体 超声换能器应用的天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、鈮酸锂等，都具有同样的压电特性。 石英晶体的性能相当稳定，但需使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精密度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已很少使用。 （二）压电陶瓷 压电陶瓷品种最多，它是人工制成的压电多晶体材料， 燕山大学 本科毕业设计（论文）开题报告 课题名称：超声波换能器优化设计与实验 学院（系）：里仁学院 年级专业：工业自动化仪表2班 学生姓名：孙骏 指导教师：童凯 完成日期：2013年3月27日 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 （一）本课题研究意义 超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。最早的超声换能器是P.郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。到了50 年代, 由于电致伸缩材料钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。但是超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 其性能描述与评价需要许多参数。超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等。不同用途的换能器对性能参数的要求不同,例如,对于发射型超声换能器,要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率；而对于接收型超声换能器,则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等。因此，在换能器的具体设计过程中，必须根据具体的应用,对换能器进行性能测试实验与分析，从而进行合理的设计与优化。 （二）国内外研究动态 1、超声压电材料的发展 (1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷是超声换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。20世纪70年代美国Newnham 等J开始对复合材料的研究，复合材料是将压电陶瓷和高分子材料按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成，目前研究和应用最广泛的为l-3型压电复合材料，其具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因数和容易成型等特性。复合材料超声换能器可实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像，其性能明显优于压电陶瓷材料制作的换 用ANSYS 软件分析压电换能器入门 A ：分析过程基本步骤 一：问题描述（草稿纸上完成） 1：画出换能器几何模型，包括尺寸 2：选定材料 3：查材料手册确定材料参数 二：建立模型 1：根据对称性确定待建模型的维数 2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码 3：建立一个文件夹用于当前分析 4：启动ANSYS 软件，指定路径到建立的文件夹， 5：定义单元类型 压电换能器分析使用的单元类型： solid5：8个节点3D 六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。无实常数。 plane13：4个节点2D 四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。无实常数。 solid98：10个节点3D 四面体耦合场单元。无实常数。 Fluid30：8个节点3D 六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。应用于近场水和远场水。实常数为参考声压，可缺省。 Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。实常数：半径，球心X ，Y ，Z 坐标值。 6：定义材料参数 对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。（静态分析不用密度） 对压电材料： 一般使用的压电方程：e 型压电方程，因此输入的常数为 ????????? ?????? ???? ?=E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 665655 464544 36353433 2625242322 161514131211对称 ???????? ??????????=6362 61 535251434241333231 232221131211 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ????????? ?=S S S S 3322 11εεεε 注意！一般顺序为：XX ，YY ，ZZ ，YZ ，XZ ，XY 。在ANSYS 中为XX ，YY ，ZZ ，XY ，YZ ，XZ 。因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。 7：建立关键点 8：把关键点连成线 压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT 在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的 超声波换能器的匹配设计 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，V Am为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数 比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。则变压器初 级的 若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励 6.5Ω 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，VAm为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po 为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V， VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。则变压器初级的 Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损 Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3．要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方 压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。 Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。 Δ响应时间快 基于有限元法的水声换能器设计与分析 李道江，陈航，倪云鹿 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20070699018） 作者简介：李道江（1982-），男，博士研究生，主要研究方向：水声换能器及基阵的优化设计. （西北工业大学航海学院，西安 710072） 摘要：本文阐述了利用有限元法研究换能器的原理，利用有限元法对Tonpliz 型换能器进行 了模态分析和谐响应分析，根据分析结果制作出换能器实物并进行了消声水池试验测试。测 试结果表明：在一定误差范围内，有限元法能够有效地对换能器的工作状态进行仿真模拟， 并能准确地解算其工作参数，能为换能器的设计和优化提供可靠的技术指导。 关键词： 有限元法；水声换能器；模态分析；谐响应分析；试验测试 The Design and Analysis of Underwater Transducer based on the Finite Element Method LI Daojiang, Chen Hang, NI Yunlu (School of Marine Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China) Abstract: The theory of the Finite Elements Method is expatiated, the modal analysis and harmonious analysis is done by the Finite Elements Method, the transducer is made according to the analytic results and the experiments are carried out. The experiment result shows that: the working state of transducer can be simulated and the working parameters can be calculated by the Finite Elements Method in a certain error range, and dependable technique can be supplied for transducer’s design and optimization. Key words: the Finite Element Method; modal analysis ；underwater transducer ； harmonious analysis; experiment test 0 引言 Tonpliz 型换能器也称为喇叭型换能器，由于在几何尺寸、性能参数和安装等方面具有 的优点，目前在各型声纳中得到广泛的应用[1]。 目前水声换能器的研究方法有：等效网络法、瑞利法以及有限差分法和有限元法[2]。前两种方法都是通过等效网络分析换能器的工作特 性，其特点是结果精确但计算繁复。而有限元法将换能器复杂的结构化整为零，进行离散化， 建立局部矩阵，然后在集零为整，通过计算机对其进行数值计算，具有建模简单、运算速度 快、结果直观等特点[3]-[6]。本文利用有限元法研究了Tonpliz 型换能器，制作出实物并进行 了消声水池测试。 1 理论分析 有限元法处理结构问题的有限元方程为[7]： [][][]M u C u K u F ++= （1） 式中[]M 是质量矩阵，[]C 是阻尼矩阵，[]K 是刚度矩阵，u 是节点位移，F 是载荷矢 量。 式（1）中当F =0时，分析类型为模态分析，主要用于计算结构体的固有频率和振型， 压电陶瓷特性及振动的干涉测量 具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的压电常数及其振动的频率响应特性。 【实验目的】 1．了解压电材料的压电特性； 2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。 3. 测量压电陶瓷的压电常数。 4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。 【实验原理】 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 (1)正压电效应 压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力j T 时，晶体将在X ，Y ，Z 三个方向出现与j T 成正比的极化强度， 即： j mj m T d P =， 式中mj d 称为压电陶瓷的 压电应力常数。 (2)逆压电效应 当给压电晶体施加一电场E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变S ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系n ni i E d S =，式中ni d 称为压电应变常数 ，对于正和逆压电效应来讲，d 在数值上是相同的。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大；而在另一频率处（反谐振频率），呈现出阻抗最大值。 AN104-2011 超声波流量换能器设计 1.引言 本文件旨在说明超声波流量换能器设计，主要内容包括组成、结构和封装及技术要求。本设计的超声波换能器应用于超声波热量表，超声波水表的流量测量应用。 2.组成 超声波换能器由压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、接线板、挡圈和金属外壳组成，如图2-1所示。 3.1外壳 换能器外壳结构尺寸如图3-1所示。整个外形为凸台圆柱体，它分为上下两个部分，上部分为开放的圆柱体，其外形制成外螺纹和卡口形状，用于安装时支撑和固定整个壳体。下部分为封闭圆柱体，其凸出面作为声波辐射面。壳体内部为两个不同直径的腔室，其中下腔室称为压电腔，用于安装压电片和填充吸声材料，而上腔室用于安装接线板和挡圈，称为接线腔。这两个腔室连通在一起并保持同轴同心。在制造换能器外壳时应注意以下几点： ?材料选取：采用无铅秘磷黄铜捧材车制加工，如C3604、C3771或HPB59-1等。以上标号材料的 声速大约为4270～4400米/秒。 ?加工精度：下腔室内外表面的光洁度应满足▼6以上要求，厚度1mmm，公差±0.05mm ?内腔室端部应无毛刺，且平整光滑。 图3-1 换能器外壳尺寸 3.2压电片 压电式超声波换能器是利用压电片的压电效应原理来工作的。当超声波发射振子（换能器）通以电脉冲信号时，由于振子的机械振动会产生超声波信号，因此能在固体和流体中传播，超声波频率取决于振 子的固有谐振频率。超声波换能器的性能好坏取决于压电晶片的技术性能和合理的结构设计。表3-1给出 超声波流量换能器的基本参数要求。 压电片材料的物理性质，尺寸与形状都与传感器特性密切相关。本设计选择ANN-P5F-1001压电片,其主要技术参数： ?压电材料：锆钛酸铅（PbTi03-PbZr03）压电换能器的主要技术参数(V2.2)
超声造影剂声学特性的优化设计与实验测定
第三章 医用超声换能器
换能器优化设计与实验
用ANSYS软件分析压电换能器入门
压电陶瓷性能参数解析
超声波换能器的匹配设计
超声波换能器的匹配设计
压电陶瓷的特性及应用举例
基于有限元法的水声换能器设计与分析
振动与压电陶瓷实验
AN005_超声波换能器设计解析
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