超声换能器电阻抗特性研究

超声换能器(压电陶瓷)的阻抗和相位测试1、超声波换能器，英文名称为Ultrasonic transducer，是一种将高频电能转换为机械能的能量转换器件。

其常被用于超声波清洗机、超声波焊接机、三氯机、气相机等设备中，在农业、工业、生活、交通运输、军事、医疗等领域内都得到了广泛的应用。

2、超声波换能器原理- -结构超声波换能器主要包括外壳、声窗(匹配层)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆、Cymbal阵列接收器等几大部分构成。

其中，压电陶瓷圆盘换能器起到的作用和一般的换能器相同，主要用于发射并接受超声波;而在压电陶瓷圆盘换能器的上面是Cymbal阵列接收器，主要由引出电缆、Cymbal换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成，用作超声波接收器，接受压电陶瓷圆盘换能器频带外产生的多普勒回拨信号。

3、超声波换能器原理- -应用(1)超声波清洗机利用超声波在清洗液中不断地进行传播来清洗物体上的污垢，其超声波振动频率便是由超声波换能器决定的，可根据清洗物来设定不同的频率以达到清洗的目的。

(2)超声波焊接机利用超声波换能器产生超声波振动，振动产生摩擦使得焊区局部熔化进而接合在一起。

(3)超声波马达中并不含有超声波换能器，只是将其定子近似为换能器，利用逆压电效应产生超声波振动，通过定子与转子的摩擦进而带动转子转动。

(4)超声波减肥和医疗美容仪器利用超声波换能器产生机械振动，将脂肪细胞振碎并排出体外，进而达到减肥的效果。

（5）电子血压计，利用超声波换能器接收血管的压力, 当气囊加压紧压血管时, 因外加压力高于血管舒张压力, 超声波换能器感受不到血管的压力; 而当气囊逐渐泄气, 超声波换能器对血管的压力随之减小到某一数值时, 二者的压力达到平衡, 此时超声波换能器就能感受到血管的压力, 该压力即为心脏的收缩压, 通过放大器发出指示信号, 给出血压值。

电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度。

医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是现代医学成像技术的四大医学影像技术,己广泛应用于心脏科、产科、眼科、肝、。

超声换能器频率特性及匹配研究杜鹏;姜楠;宋波【摘要】超声换能器是一种强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗等特性差别很大.在超声换能器的应用中需要对超声换能器进行频率特性分析及阻抗匹配,以达到最高的传输效率和最佳的波形效果.详细分析了超声换能器的频率特性及匹配方式,并对超声换换能器参数进行了测试,根据测试参数设计了阻抗匹配电路.理论分析和实验测试表明,良好的频率及阻抗匹配电路有利于优化超声波发射波形,提高电声转化效率.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2016(040)001【总页数】5页(P41-45)【关键词】超声换能器;频率特性;谐振;匹配电路【作者】杜鹏;姜楠;宋波【作者单位】电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都611731;电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都611731;电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TN929超声波换能器(又称超声波传感器)是一种将电信号与超声信号相互转换的器件，在非接触式测量、加工等领域应用广泛[1]。

超声波换能器应用很广泛，许多应用都已经很相对成熟，但是，对于某些应用还存在诸多关键理论和关键技术有待突破，如信号处理、换能器制作以及功率放大等方面的理论与技术。

在超声波的发射应用中，为了增大超声波的发射功率与发射效率，通常选用放大效率更高的D类或T类功放[2]。

D类或T类功放相较于A类、AB类功放的放大效率得到了极大的提升，但是存在着较大的总谐波失真(THD)。

减小D类、T类功放的THD对超声波发射系统具有及其重要的现实意义。

同时，超声换能器是一种强非线性时变系统，在不同的工作频率下阻抗等特性差别很大。

因此，在超声波应用中需要对超声换能器进行频率特性分析及阻抗匹配，以达到最高的传输效率。

本文详细分析了超声换能器的频率特性及匹配方式，并对超声换换能器参数进行了测试，根据测试参数设计了D类功放驱动下超声换能器的阻抗匹配电路。

超声换能器的原理及设计
超声换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置。

它的设计原理基于压电效应，即在某些晶体材料中，当施加电场时，会产生机械形变，反之，当施加机械压力时，也会在晶体上产生电压。

利用这种特性，超声换能器由一个薄片状的压电材料，通常是陶瓷或聚合物，在两侧分别附着上电极构成。

当电极上施加电压时，压电材料会膨胀和收缩，这种压力或运动会引起周围介质的压缩和稳定的振动。

这些振动将以超声波的形式在介质中传播，从而实现声能到电能的转换。

超声波频率和振幅的调节可以通过改变施加在超声换能器上的电压和电流来实现。

一般来说，频率越高，波长越短，超声波的穿透性能越低，但分辨率越高。

为了提高超声换能器的效率和性能，设计上考虑了很多因素。

首先，需要选择合适的压电材料，其特性应满足应用的要求，包括频率范围、灵敏度和稳定性等。

其次，需要设计适当的结构和尺寸，以实现最佳的转换效率和声束控制。

此外，还需要考虑超声波的耦合和阻抗匹配问题，以确保能量的传递和接收的效果。

总之，超声换能器基于压电效应实现电能到超声波能量的转换。

通过合理的材料选择和设计，可以获得高效、稳定和精确的超声波发射和接收装置。

硕士学位论文题目:超声波换能器特性分析及其电源设计研究生陈张平专业控制理论与控制工程指导教师王建中教授邹洪波讲师完成日期 2013年1月杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。

本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。

学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。

（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日杭州电子科技大学硕士学位论文超声波换能器特性分析及其电源设计研究生：陈张平指导教师：王建中教授邹洪波讲师2013年1月Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi Universityfor the Degree of MasterAnalysis on the Features of the Ultrasonic Transducer and Design for the Power SupplyCandidate: Zhangping ChenSupervisor: Prof. Jianzhong Wang,Lecturer Hongbo ZhouJanuary，2013摘要超声波设备主要由超声波换能器、超声波发生电源（简称超声波电源，本文中介绍的超声波电源为数控式超声波电源）组成。

高频超声腔内换能器的阻抗匹配技术研究摘要：高频超声腔内换能器是一种关键性的装置，它在医学、工业和科学研究领域中起着重要作用。

阻抗匹配是超声换能器设计的关键问题之一，其目的是实现最大能量转移和优化超声信号传输。

本文对高频超声腔内换能器的阻抗匹配技术进行研究，主要包括阻抗匹配的基本原理、常见的阻抗匹配技术和未来的发展方向。

1. 引言高频超声腔内换能器是将电能转换为超声波能量的装置，被广泛应用于医学、工业和科学研究领域。

在超声成像、超声治疗和非破坏性检测等应用中，高频超声腔内换能器的性能直接影响到超声信号的质量和有效传输。

阻抗匹配是超声换能器设计中的一个关键问题，旨在实现能量的最大转移和超声信号的优化传输。

2. 阻抗匹配的基本原理阻抗匹配是指超声换能器输出电路的阻抗与负载的阻抗相匹配，从而实现最大功率传输。

当超声波通过两种不同阻抗之间的界面传输时，当两种阻抗的差异越大时，部分超声波会发生反射或折射，导致能量损失。

因此，通过阻抗匹配技术，可以减少超声波的反射和散射，提高传输效率。

3. 常见的阻抗匹配技术3.1 反射阻抗匹配反射阻抗匹配是最常见的阻抗匹配技术之一，该技术通过调整超声换能器和负载之间的反射系数来实现阻抗匹配。

常用的反射阻抗匹配方法包括使用匹配层、变厚度聚合物层和铁电陶瓷等材料。

这些方法可以改变反射系数，减少超声波的反射和散射。

3.2 串联阻抗匹配串联阻抗匹配是通过在超声换能器和负载之间串联阻抗来实现阻抗匹配。

常见的串联阻抗匹配方法包括使用电感、电容和电阻等元件。

这些元件可以调整阻抗，以实现匹配。

3.3 平面超声波阵列阻抗匹配平面超声波阵列阻抗匹配技术是最新的阻抗匹配技术之一，它通过在超声换能器和负载之间添加微小的间隙来实现阻抗匹配。

这种技术可以减少反射和散射，并提高传输效率。

然而，平面超声波阵列阻抗匹配技术还在研究阶段，需要进一步的实验和改进。

4. 未来的发展方向未来的研究应该集中在以下几个方面：4.1 新材料的应用探索新的材料以提高超声腔内换能器的阻抗匹配效果。

超声波换能器阻抗一、前言超声波换能器是一种将电能转化为机械振动能，并将机械振动能转化为电能的装置。

它是超声波检测和处理技术中不可或缺的一部分。

而换能器阻抗则是影响换能器性能的一个重要因素。

本文将从以下几个方面详细介绍超声波换能器阻抗相关知识：什么是阻抗、超声波换能器阻抗的定义、影响换能器阻抗的因素、如何测量和计算换能器阻抗以及如何优化换能器阻抗。

二、什么是阻抗在介绍超声波换能器阻抗之前，我们需要先了解什么是阻抗。

简单来说，阻抗就是电路中电流和电压之间相互制约的特性。

它类似于机械系统中的摩擦力或惯性，可以用来描述电路对交流信号的响应特性。

通常用复数表示，包括实部和虚部两个值。

三、超声波换能器阻抗的定义超声波换能器可以将电信号转化为机械振动信号，也可以将机械振动信号转化为电信号。

其中，机械振动信号是通过换能器中的压电晶体产生的。

在超声波检测和处理中，我们通常使用的是谐振式换能器。

它是由压电晶体、负载电容和匹配层组成的。

当外加电场作用于压电晶体时，会使其发生机械振动，并将机械振动信号输出到负载电容上。

换能器阻抗是指换能器输入端和输出端之间的阻抗特性。

它包括了输入端的驱动阻抗和输出端的负载阻抗两部分。

四、影响换能器阻抗的因素超声波换能器阻抗受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 压电晶体材料和尺寸：不同材料和尺寸的压电晶体具有不同的介电常数、机械耦合系数等物理特性，从而影响了其驱动和负载阻抗。

2. 负载电容：负载电容大小对于输出端负载阻抗有很大影响。

当负载电容过小时，会导致输出端开路；当负载电容过大时，会导致输出端短路。

3. 匹配层：匹配层的设计和材料也会影响换能器的阻抗特性。

一个好的匹配层可以提高换能器的能量转换效率，减小反射损失。

4. 工作频率：换能器在不同频率下的阻抗特性也不同。

通常情况下，换能器的谐振频率是最佳工作频率。

五、如何测量和计算换能器阻抗测量和计算超声波换能器阻抗是优化其性能的关键步骤。

第 43 卷第 5 期2023 年 10 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 5Oct.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis超声喷丸换能器的高电压阻抗匹配设计∗施陆锴，芦小龙，李武琴，钱丰，曹达，李华峰（南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016）摘要研究了超声喷丸换能器在不同电压下的阻抗特性，设计了针对高电压驱动工况的阻抗匹配方法。

首先，采用功率放大器和示波器获取高电压下换能器两端的电压、电流以及相位差，计算得到阻抗特性曲线；其次，以工作频率下的阻抗为基准，计算并联匹配和串联匹配时的电感值，通过对比优选负载电路呈纯阻性的匹配方式，实现有功功率的最大化；最后，将匹配电路结合自制的驱动电源设计了超声喷丸成形驱动系统，利用激光位移传感器对比了匹配前后喷丸枪撞针振幅的变化。

结果表明，当以2.6 mH电感串联匹配时测得接入匹配电路后喷丸撞针冲击振幅由2.7 mm升至4.9 mm，验证了所提匹配方法的有效性。

关键词超声喷丸换能器；谐振频率；阻抗特性；匹配电路中图分类号TH39；TH69引言超声喷丸成形技术是一种利用超声换能器驱动金属介质（撞针或弹丸）产生高频冲击作用于金属表面，实现钣件成形与校形的先进冷加工无模成形技术［1‑2］。

超声喷丸成形技术具有能量密度高、操作方式灵活、加工成本低和绿色无污染等特点，目前已经在飞行器、船舶及汽车等工业领域得到广泛使用。

例如，法国SONATS的STRESSVOYAGER设备和德国KSA的7轴数控喷丸系统均在波音、空客等公司的诸多项目中发挥着重要作用，而国内相关的研制工作仍处于起步阶段［3‑5］。

作为超声喷丸成形系统的核心部件之一，超声喷丸换能器的工作特性直接决定了喷丸成形的效果。

由于在低频超声领域内对换能器功率以及端面振幅的要求较高，夹心式构型的超声换能器获得了广泛应用［6］。

超声换能器的设计理论研究超声换能器是一种将电能转化为声能或将声能转化为电能的装置。

它在医学、工业、军事等领域发挥着重要作用。

因此，对超声换能器的设计理论进行深入研究具有重要意义。

超声换能器的设计理论研究主要包括两个方面：材料选择和结构设计。

首先，材料的选择对超声换能器的性能起着决定性作用。

超声换能器常用的材料有压电晶体和磁电材料。

压电晶体具有良好的压电效应，可以将机械能转化为电能或反之。

常用的压电晶体有PZT陶瓷和LiNbO3晶体等。

磁电材料具有磁电效应，可以将机械能转化为电能或反之。

常用的磁电材料有PZT陶瓷和Pb(Zr,Ti)O3薄膜等。

在选择材料时，需要考虑其压电系数、机械强度、稳定性等因素。

其次，结构设计对超声换能器的性能也起着重要影响。

超声换能器的结构主要包括压电层、电极层和背衬层。

压电层是将电能转化为声能或将声能转化为电能的关键部分。

电极层用于施加电场，激励压电层的振动。

背衬层则用于支撑压电层和电极层，提高超声换能器的机械强度。

在结构设计中，需要考虑压电层的厚度、电极的形状和布局、背衬层的材料等因素。

超声换能器的设计理论研究还需要考虑一些其他因素。

例如，超声换能器的工作频率、输入电压和输出功率等参数对其性能有着直接影响。

此外，超声换能器的调谐性能和耦合效率也是设计过程中需要重点考虑的因素。

总之，超声换能器的设计理论研究对于提高其性能和应用价值具有重要意义。

通过选择合适的材料和进行合理的结构设计，可以使超声换能器具有更高的转换效率、更宽的工作频率范围和更好的稳定性。

未来的研究还可以探索新的材料和结构设计方法，进一步提高超声换能器的性能和应用领域。

声波换能器等效阻抗1.引言1.1 概述声波换能器是一种能够将机械能转化为声能或者将声能转化为电能的装置。

它在许多领域中被广泛应用，例如声学、电子学、医学等。

声波换能器的性能取决于其等效阻抗，而等效阻抗是指在特定频率下，声波换能器对外界的电流和电压的响应关系。

本文将重点探讨声波换能器等效阻抗的计算方法，通过分析声波换能器的结构特点和工作原理，从理论角度介绍了等效阻抗的基本概念，并提供了一种计算等效阻抗的可行方法。

同时，本文还将总结声波换能器的等效阻抗在实际应用中的重要性，并展望了未来对声波换能器等效阻抗的研究方向。

通过深入研究声波换能器等效阻抗，可以更好地理解和掌握声波换能器的性能特点，在设计和开发新型声波换能器时提供理论指导。

此外，研究人员还可以通过优化声波换能器的等效阻抗，进一步提高装置的工作效率和性能表现。

然而，目前关于声波换能器等效阻抗的研究还存在一些挑战和问题，例如对于复杂结构和材料的声波换能器，等效阻抗的计算方法尚不完善；对于特定频率范围内的等效阻抗变化规律，仍需要更深入的研究。

因此，未来的研究方向可以考虑进一步深化对声波换能器等效阻抗的理论研究，开发更准确、高效的计算方法，并尝试寻找新的材料和结构设计，以提高声波换能器的性能和应用范围。

文章结构部分的内容可以按照以下方式展开：一、引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的二、正文2.1 声波换能器的定义和原理2.2 声波换能器的等效阻抗计算方法三、结论3.1 总结声波换能器的等效阻抗的重要性3.2 对声波换能器等效阻抗的未来研究方向的展望在文章结构部分，我们对整篇文章的结构进行简要介绍。

引言部分包含概述、文章结构和目的，在这一部分中，我们将引起读者的兴趣，并概括文章的主要内容和目标。

正文部分将详细介绍声波换能器的定义和原理，以及声波换能器的等效阻抗计算方法。

在这一部分中，我们将对声波换能器的工作原理进行解释，并介绍如何计算声波换能器的等效阻抗。

超声波换能器阻抗超声波技术在医学、工业、安防等领域得到了广泛的应用，而超声波换能器作为超声波技术的核心部件之一，其阻抗特性对于超声波信号的产生和传输起着重要的作用。

本文将从超声波换能器阻抗的概念、特点、测量方法以及阻抗匹配等方面进行阐述。

一、超声波换能器阻抗的概念超声波换能器是将电能转化为超声波能量的一种装置，其主要由压电陶瓷材料和金属电极组成。

在超声波换能器中，电极通过交变电场作用于压电陶瓷上，使其发生压电效应，产生超声波信号，并将其传递到被测介质中。

而超声波换能器阻抗则是指超声波换能器内部电学特性与外部电学特性之间的匹配程度，即超声波信号从超声波换能器到介质的传递过程中所需要克服的电学阻力。

超声波换能器阻抗与压电陶瓷材料的厚度、直径、材料性质等因素密切相关，不同的超声波换能器阻抗会对超声波信号的发射和接收产生不同的影响。

二、超声波换能器阻抗的特点超声波换能器阻抗的特点主要体现在以下几个方面：1. 阻抗大小不同：不同类型、不同尺寸的超声波换能器阻抗大小不同，其阻抗值通常在几十到几千欧姆之间。

2. 阻抗频率特性：超声波换能器阻抗随着频率的变化而发生变化，通常存在一个最佳的工作频率。

3. 阻抗匹配问题：超声波换能器的阻抗与被测介质的阻抗不匹配会导致超声波信号的反射和衰减，进而影响信号的传输和接收。

三、超声波换能器阻抗的测量方法测量超声波换能器阻抗的方法通常有两种：一种是利用阻抗分析仪进行阻抗测试，另一种是通过超声波传播特性的测量来计算其阻抗值。

1. 阻抗分析仪测量：将超声波换能器与阻抗分析仪相连，通过测量其反射系数、透射系数等参数计算出超声波换能器的阻抗值。

2. 超声波传播特性测量：利用声速、声阻抗等参数计算出超声波在超声波换能器和介质之间的传播特性，再通过计算反射系数、透射系数等参数来推算出超声波换能器的阻抗值。

四、超声波换能器阻抗匹配为了充分利用超声波换能器的性能，需要对超声波换能器和被测介质之间的阻抗进行匹配。

超声波换能器阻抗匹配
超声波换能器的阻抗匹配是指将超声波发射器（或接收器）的阻抗与周围介质（如水或人体组织）的阻抗相匹配，以实现更高的能量传输效率和更好的信号接收质量。

在超声波应用中，阻抗匹配对于提高超声波系统的性能至关重要。

阻抗匹配的目标是最大化能量传输或信号接收，通常通过以下几种方式实现：
1.声阻抗匹配：超声波传感器的发射面通常与介质接触，声阻抗不匹配会导致反射。

为了减少反射，需要考虑超声波传感器与介质接触表面的声阻抗匹配。

通常可以通过合适的介质耦合剂或特殊设计的表面结构来实现。

2.电阻抗匹配：超声波传感器的电阻抗应该与电路中的其他元件（如放大器）匹配，以确保能量传输的高效率和最佳信号放大。

通常通过电路设计和匹配网络来实现电阻抗匹配。

3.波束阻抗匹配：超声波传感器的发射和接收波束的特性需要与介质的声阻抗相匹配，以最大程度地传播超声波信号并最小化反射。

这通常需要根据应用需求和介质特性进行适当的设计和优化。

4.匹配层设计：在超声波换能器的设计中，可以引入匹配层（matching layer），它位于超声波换能器的发射面和介质之间。

匹配层的设计旨在调节超声波的传播速度和阻抗，从而提高超声波信号的传输效率和接收质量。

综上所述，超声波换能器的阻抗匹配是通过声阻抗、电阻抗、波束阻抗和匹配层设计等方式来实现的，以提高能量传输效率和信号接收质量。

在超声波系统设计中，需要综合考虑各种因素，以实现最佳的阻抗匹配。

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基于超声换能器阻抗匹配原理对超声手术刀进行频率跟踪来源：电子技术应用，作者：杨林，戴剑峰，赵虎成，高瞻，陆阳，孙学明引言超声刀又称超声切割止血刀，工作原理是通过超声换能器(压电陶瓷)将电能转换成机械能，经放大、聚焦后作用于人体目标组织，其工作频率一般为20～100 kHz。

目标组织在短时间内温度可达70 ℃以上，致使组织细胞凝固坏死而又不损伤聚焦区域以外的正常组织[1-2]。

超声刀具有止血、切割、抓持、分离等多种功能。

与传统电刀或激光刀相比，超声刀具有最小的侧热损伤，可作用于重要脏器；由于没有电流通过病人，有效避免对神经肌肉的刺激，可以安全使用于已安装有心脏起搏器的病人；工作时只形成水汽，不产生烟雾，可减少组织焦化，在腔镜手术中保证手术视野清晰。

伴随着技术的不断成熟，超声刀在外科手术中得到了越来越广泛的应用。

超声手术刀的核心就是如何驱动换能器将电能转换成机械能。

由于超声刀的换能器工作在谐振状态的时候，电能转换为机械能的效率最高，超声刀头的使用寿命也才会更久，因此需要对于刀头的换能器进行阻抗匹配，并且在负载以及外部条件发生变化的情况还能够使换能器始终工作在谐振点附近。

本文通过对超声换能器阻抗匹配的原理分析，然后通过公式推导了超声手术刀的换能器的并联谐振匹配方法的电感计算方式，并提出了一种变频的频率跟踪方法，最后通过实际测试验证了该方法在频率跟踪时的作用效果。

1 、超声手术刀换能器静态阻抗匹配在实际中，超声手术刀的压电换能器是容性负载，如果不进行阻抗匹配，直接驱动刀头会产生反射功率，很多的能量会消耗在换能器上，从而使换能器发热，严重的时候会使换能器损坏，因此为了使换能器实现更好的能量转换，需要对换能器进行阻抗匹配[10-13]。

超声手术刀换能器的一个等效电路图如图1所示。

在图1中C0为静态电容，R0为静态电阻，一般为无穷大，而Lc为动态电感，Cc为换能器的动态电容，Rc为换能器的负载电阻。

由于R0可以忽略，因此整个电路的阻抗为：式中fS为谐振频率，在这个谐振频率点，超声手术刀的换能器的阻抗最小，并且其电能转换为机械能的转换效率最高，换能器发热最小。