_压电换能器和换能器阵简评

一文读懂换能器一文读懂换能器文| 传感器技术（WW_CGQJS）换能器的英文名称是transducer，用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。

例如：电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等，在水声领域中常把声呐换能器、水声换能器、电声换能器统称换能器。

水声换能器水声换能器是完成水下电声信号转换的器件，它是电子设备与水下信号声场间相互联系的纽带。

鉴定一部水声仪器性能的好坏，往往是首先看它的换能器性能如何。

水声换能器的分类按工作形式可分为发射换能器和接收换能器；按结构形式可分为球形换能器、圆管换能器、弯曲圆盘换能器、复合棒换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器、矢量水听器和光纤水听器等等；按电场性换能材料可分为压电单晶、压电陶瓷（如钛酸钡、PZT）、压电薄膜（如PVDF）、压电复合材料（如1-3压电复合材料）和弛豫型铁电单晶等等；按磁场性的换能材料可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、铁磁流体和超磁致伸缩稀土材料等等；其他：带有匹配层的换能器、电火花声源、MEMS水听器阵列和带有反声障板的声基阵。

声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，由此水声换能器也被人们形象的比喻为声纳系统的“耳目”。

随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提。

水声换能器技术包含新材料、新原理、新结构和新工艺！材料技术：有源材料（压电材料和磁致伸缩材料），无源材料（吸声、反声、透声、去耦和结构）；设计技术：理论、结构和匹配设计；制作技术：加工、装配和灌封。

不同工作频率的水声换能器的应用水声换能器基阵在潜艇上的应用水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号，由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。

关于开设博士和硕士学位课“固体声学”课程的计划一、教学背景固体声学研究声波在固体中的传播规律及其应用的一门声学分支，在工业无损检测，超声电子学，医学超声诊断和治疗，深部固体地球资源探测，海底对水声的影响等领域有广泛的应用。

声波在固体中的传播比液体中复杂得多，其中许多问题是国内外学术界的研究热点。

这方面的知识是我所多个方向科研工作的基础，也是研究生学习的重要内容。

但是长期以来我所没有特别组织这方面的教学，研究生大学也没有专门的课程，研究生只能通过文献自学，效果不够理想。

针对这种情况，我们提出开设固体声学课程的设想。

以后逐渐写成教材，成为正式博士和硕士课程。

二、教学安排每周一次，每次3学时，开设两个学期，计120学时。

计划在2013年12月开始。

固体声学课程计划分上下两册。

第一册致力于介绍固体声学的基本原理和方法，一方面，教师通过固体声学应用实例及其现象的讲述，使得学生逐步建立起固体声学的基本物理概念；另一方面，教师通过讲述波动现象及其物理表述的手段和方法，使得学生更加牢固掌握固体声学的理论和方法。

第二册是第一册的延伸，讲课对象是对具有一定的数理知识和固体声学知识的高年级学生，主要讲述复杂固体介质中的声学理论与方法，如孔隙介质声学、粘弹性介质声学等，并介绍固体声学中的相关的计算声学问题，如固体声学中的有限元和谱元法数值模拟计算等。

三、课程目的本课程的主要目的是通过教师对固体声学的基本概念、基本原理和基本应用的讲述，使得学生能够掌握固体声声学的理论和方法，为进一步研究复杂固体介质的声学理论和方法，开展固体应用研究和高技术研发等提供坚实的物理基础。

四、授课教师王秀明、张海澜等(超声物理与探测实验室)五、教学内容和计划(共计120学时)固体声学（一）（60学时）1.固体声学的数理基础. (12学时)1.1引言（浅谈声学与音乐和诗词的关系）1.2振动与声的基本概念1.3固体声学的基本内容1.4声场表述的格林函数法1.5声场表述的谱方法2. 固体声学方程（9学时）2.1 质点的力和位移(矢量的概念)2.2 弹性固体的应力和应变(张量的概念)2.3应力和应变的关系(胡克定律，各向同性和各向异性)2.4缩写下标与变换(张量矩阵和坐标系变换)2.5弹性动力学方程3. 固体介质中的平面声波. (9学时)3.1 平面声波方程(纵波和横波)3.2 稳态和瞬态平面波3.3相速度与群速度3.4弹性波的阻尼衰减4. 弹性波的反射和透射. (9学时)4.1 界面的边界条件4.2平面波在边界上的反射与透射(反射系数与透射系数)4.3斜入射Snell定律和全反射4.4复波数矢量与凋落波5.表面波、界面波和板波. (6学时)5.1 自由表面上的Rayleigh波和Love波5.2 固-固界面和流-固界面的Stoneley波5.3 自由平板中的Lamb波(Lamb波的频散、激发和接收)5.4 薄板的低频近似理论6. 圆杆和空心圆管中的声波. (6学时)6.1 纵波在细杆中的传播6.2 无限长圆杆中的声波导6.3 空心圆管中的周向导波6.4 空心圆管中的纵向导波6.5 导波的频散特征7.径向多层介质中的声波导. (9学时)7.1 流-固径向多层井孔模型及声场函数(传递矩阵法)7.2 井孔中的声源与声波导的模态(对称模态、弯曲模态等)7.3 井孔声场的频散、衰减和激发强度7.4 传播模式和泄漏模式7.5 离散波数法和实轴积分固体声学（二）（60学时）8. 复杂固体介质中的声传播(6学时)8.1复杂固体介质中的声学问题（各向异性、粘弹性、多相孔隙介质）8.2固体声学中的计算方法简介（有限差分、伪谱、有限元和谱元）9. 复杂介质中的波. (6学时)9.1各向异性介质中的波9.2 线性粘弹性介质中的波9.3双相和多相孔隙介质声传播10. 固体声学中的数值模拟问题和计算方法(15学时)10.2 时域有限差分法.10.3 吸收边界条件.10.4有限元法.10.5谱元法.10.6大规模声学计算中的并行处理11．学非线性问题. (6学时)11.1非线性声学基础11.2限振幅波11.3 声弹效应和高阶弹性系数11.4 微扰理论和变分方法12. 声学换能器基础. (6学时)12.1 电声换能器的一般理论12.2 压电材料和压电换能器12.3 换能器振动体的数值分析方法12.4 换能器阵13. 声学测量与实验. (6学时)13.1 弹性系数的声学测定13.2 换能器指向性检测13.3 缩尺模型井中的声学实验13.4声波仪器的声速刻度和标定13.5隔声体测试14. 固体声学应用实例.(15学时)14.1 声波测井和储层声学评价.14.2储层声学逆时偏移技术.14.3固井质量检测技术.14.4超声无损检测和医学超声应用.14.5其他五、教学要求通过深入而系统地学习固体声学相关知识，使得学生理解和掌握固体声学的基本概念、基本理论和方法，以及基本应用，为学生利用固体声学理论和方法开展相关科学研究和技术研发提供必要的专业知识。

压电超声换能器的应用与发展摘要: 压电换能器是超声技术的主要部件, 其种类多, 用途及发展前景广。

该文回顾了超声换能器的发展历程, 概括总结了压电超声换能器的分类和应用, 分析了压电超声换能器的发展趋势。

大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化是当前的发展方向。

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P1 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。

超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 国内外均大力研究, 近年来取得了很多成就。

本文将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。

1压电超声换能器的种类压电超声换能器的种类很多, 按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等; 按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等; 按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等; 按压电转换方式分为发射型(电2声转换)、接收型(声2电转换)、发射2接收复合型等。

2压电换能器的应用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; 按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等; 按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等; 按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。

(1) 压电陶瓷变压器压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。

超声波发生器的工作原理一、引言超声波发生器是现代科技生产中常用的一种设备，它能够生成高频率的声波，很大程度上可以提高工作效率和生产质量。

但是，很多人对其工作原理不是很清楚，下面我将为大家介绍一下超声波发生器的工作原理。

二、超声波的基础知识超声波是频率高于20kHz的声波，其振动方向与传播方向垂直，具有较强的穿透力和反射能力，因此被广泛应用于医疗、安防、无损检测等领域。

三、超声波发生器的组成超声波发生器主要由发声器、放大器、控制器和换能器等部分组成。

发声器是负责将电能转化为声波能量的部分。

常见的发声器有压电振荡器、电磁振荡器等。

放大器是将电能放大后送给发声器的部分，通常采用功率放大器。

控制器用于调节发声器和放大器的参数，以达到预期的声波效果。

例如，可以调节频率、幅度等。

换能器就是在物理上负责将电能转化为声波的部分，可以分为压电换能器和磁性换能器两种。

压电换能器是利用物质的压电效应产生声波，磁性换能器则是利用磁性材料的震荡效应产生声波。

四、超声波发生器的工作原理在工作过程中，超声波发生器首先将电能经过放大器放大之后，传送到发声器中。

发声器将电能转化为机械能将金属振动器振动，振荡的金属振动器进一步产生了超声波。

换能器起到了将电信号转化为机械振动能量的作用，通过鼓膜的振动传导到外面的空气中。

五、超声波发生器的应用领域超声波发生器被广泛应用于医疗、环保、安防、无损检测、清洗等领域。

例如，在医疗领域，超声波可以用于诊断和治疗。

在环保领域，超声波可以用于废水处理。

在无损检测领域，超声波可以用于表面缺陷检测和内部缺陷检测。

在清洗领域，超声波可以用于清洗难以清洗的物体。

六、总结超声波发生器是现代技术中不可缺少的一部分，其应用广泛且效果显著。

在使用超声波发生器的时候，需要从系统整体考虑，控制器起着关键性的作用，要根据不同需求进行不同的调节。

超声光栅填空题1. 写出测量超声波声速的公式：kl f V ∆=Λ=γλγ2. 在超声光栅实验中，测量衍射条纹的间距时，用测微目镜沿—个方向逐级测量其位置读数，其目的是要避免空程差。

3. 光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（声光效应）。

4．在超声光栅实验中，超声池置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。

简答题1． 逐差法处理数据的优点是什么？答：能够充分利用测量数据，更好地发挥多次测量取平均值的效果。

可验证表达式 或求多项式的系数。

2． 在超声光栅实验中，若只调出1级衍射谱线，应如何调整找到3级以上的 衍射谱线？答：调节频率调节旋钮，使电振荡频率与压电换能器固有频率共振。

此时，衍射 光谱级次会显著增多而且明亮。

为使平行光束垂直于超声束传播方向，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。

经过上述仔细调节，一般应观察到3级以上的衍射谱线。

3． 在超声光栅测声速实验中，应如何正确放置超声池？答：使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴； 4． 在超声光栅测声速实验中，当找到谱线后，若发现两侧光谱的谱线级次不一样， 应如何调整？答：可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。

超声光栅测声速实验数据处理：实验数据记录 实验温度：30C声波传播介质：纯净水数据处理： l f V ∆=/λν黄色谱线：λ=578.0nm f =170mm1.2854.506-5.971 1.4913.793-5.284 1.4823.024-4.506=== MHzm m l m ml k 40.11|35.1144.11|7095.02/419.1419.1=+===∆=∆νV 黄=s m s m /6.1507/107095.1040.1110170100.5783639=⨯⨯⨯⨯⨯⨯--- 绿色谱线：2.1234.506-6.629 2.0403.832-5.872 2.1213.139-5.260 2.1072.399-4.506==== MHz m m l m m l K 40.1169925.009775.2==∆=∆νV 绿=s m s m /5.1513/1069925.01040.1110170101.5463639=⨯⨯⨯⨯⨯⨯--- 蓝色谱线：1.1184.506-5.624 1.1003.985-5.085 1.1173.389-4.506=== MHzmm l mm l K 40.11556.0117.1==∆=∆ν V 蓝=s m s m /0.1519/556.040.111017010435.839=⨯⨯⨯⨯--1510.0m/s /s 1519.0)/3m 1513.5(1507.6V C =++=温度修正公式：)(o o t t t A V V -+= 普通水：V O =1497m/s.A=2.5(m/s*k)t o =25o CV 30=1497+2.5⨯(30-25)=1509.5m/s 本实验测量结果：V 30=1510.0m/sE=%033.05.15095.15090.1510=-。

1．产品分类公司产品可依不同方式进行分类，主要有：A．压电晶片分类：采用黑色晶片的P4系列和采用黄色晶片的P8系列；B．频率分类：低频系列（17~23KHz）、中频系列（25~28KHz）、中高频系列（33~60KHz）和高频系列（68-200KHz）；C．功率分类：50W系列（含60W）、100W系列（含80W）及其他非常规功率；D．形状分类：直柱形和喇叭型；2产品型号选择面对诸多型号换能器，按以下的说明来选择适合的一款，是很重要的2.1.不同压电晶片换能器的应用场合A．压电晶片的比较：1).黄色晶片为P8系列（按国家部颁标准分类，下同）大功率压电陶瓷材料，具有发热量低，强场损耗小，热稳定性好的优点，一般适用于大功率超声发射，如超声焊接、大功率清洗等。

2).黑色晶片为P4系列压电陶瓷材料，具有高介电常数，高机电耦合系数等的优点，一般适用于中等功率的超声波应用，如清洗或收发用传感器等。

3).而我公司采用的黑色晶片与传统P4系列相比更具有高的热稳定性、高的居里温度（Tc=350℃）和高的机电品质因素等优点。

B．不同晶片换能器的比较：1)．黄色晶片组装的换能器电容量变化绝对值低，强场损耗小，因而相对于相同的驱动线路而言，发热量低、热稳定好。

水花表现为对清洗负载变化稳定，冲击大，属中规中矩型。

2)．黑色晶片的换能器机电耦合系数高，居里温度高，因而电声转换效率高。

且比其他采用一般P4系列的产品具有更高的稳定性和较高的耐温。

水花表现为水柱高，空泡手感丰富，但对清洗负载变化灵敏度高。

3)使用场合（建议）：高频（如40K以上）或小功率换能器（60W以下）采用黑色晶片组装的换能器，低频或大功率换能器采用黄色晶片组装的换能器。

2.2.不同频率换能器的应用场合换能器频率与波长成反比，波长大小与空泡直径大小有关（严格意义说，是频率低成核的时间较长所致），而空泡直径与其爆炸压力成有关。

一般频率越高，波长小，空泡直径小，爆炸压力低，但空泡密度高，渗透性好。