超声换能器的基本结构

超声换能器的原理及设计超声波换能器是超声波焊接机的高频机械振动源及作用，就是将超声波发生器输出的电能或者磁能转换成相同频率的机械振动，超声焊接机用的换能器，目前有两种，一种是，磁致伸缩型换能器，另一种是压电陶瓷换能器磁致伸缩式换能器，由于效率低，性价比低，还需外加直流极化磁场，因此目前超声焊接机已经很少使用。

压电陶瓷换能器基本原理是建立在晶体材料的压电效应基础上的，这种材料为压电晶体材料，在超声焊接机主要用的是压电陶瓷产量，这种材料在成熟外地发生形变时，在压电陶瓷晶体表面，会出现电荷，晶体内部产生电场，反之，当晶体呈受外电场作用时，金片会发生形变，这种现状称之为压电效应，前者称正电效应，或者称逆电效应。

超声波换能器是超声振动系统的核心部件，超声波换能器设计的好坏，关系到焊接机工作的效率，稳定性及寿命等，在市场上采用大部分的压电陶瓷换能器，按照振动形式区别种类很多，如径向振动模式，纵向复合式振动模式，剪切振动模式，厚度振动模式等。

超声波塑料焊接机工作时加工塑料工件，需要的是高频率的纵向振动。

使得工件的上下模上下高频振动融化焊接层得到焊接效果。

压电换能器的结构：压电陶瓷换能器的结构，由压电陶瓷晶片，电极片，前后盖等组成。

后盖板一般用质量较大的钢制成前盖板由质量轻的，高强度铝合金或者钛合金制造而成，它是利用了压电陶瓷的纵向效应器，陶瓷元件的极化方向，电场方向，机械振动方向，三者一致。

这种换能器称纵向复合振动换能器，它的长度方向尺寸远大于它们的宽度。

图3-1为国内外焊接机常用的政治使用图与结构图，图中两端是两块金属盖板，中间是压电陶瓷元件堆，压电陶瓷一般是纵向极化的带孔圆片，一根应立螺杆，将这三部分紧固在一起着，称为预应力螺杆。

他只陶瓷元件，具有较大的抗压强度，同时在大功率驱动下，陶瓷元件取压缩状态，从而避免膨胀所造成的破裂这种换能器通过改变前后盖的材料尺寸来控制换能器的频率带宽，前后增速比和有效机电耦合系数等性能参数。

超声波换能器原理知识大普及在对超声波焊接机、超声波清洗机等设备的了解过程中，都会看到超声波换能器的身影，那么超声波换能器究竟是个什么设备呢?它主要完成哪些功能呢?又是利用什么原理来完成的呢?接下来就让小编带您一探究竟！一、超声波换能器简介超声波换能器，英文名称为Ultrasonictransducer，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。

超声波换能器二、超声波换能器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。

超声波换能器结构三、超声波换能器原理超声波换能器，其实就是频率与其谐振频率相同的压电陶瓷，利用的是材料的压电效应将电能转换为机械振动。

一般情况下，先由超声波发生器产生超声波，经超声波换能器将其转换为机械振动，再经超声波导出装置、超声波接收装置便可产生超声波。

超声波换能器原理四、超声波换能器应用(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。

超声换能器的结构通常包括以下几个部分：
压电晶体：压电晶体是超声换能器的核心部分，其具有压电效应，可以将电信号转换为机械振动。

压电晶体是利用某些材料的特殊性质，如锆钛酸铅（PZT）或石英晶体等，来实现电信号与机械振动之间的转换。

声学匹配层：声学匹配层的作用是将压电晶体的机械振动能量有效地传递到所检测的介质中，同时减少声波在空气中的反射，提高声波的透射效率。

声学匹配层的材料和厚度通常是根据所检测介质的声学特性和换能器的设计要求进行选择和设计的。

保护层：保护层的作用是保护压电晶体和声学匹配层不受外界环境的影响，如温度、湿度、尘埃等。

保护层通常采用环氧树脂、硅胶等材料制成。

引脚：引脚的作用是将压电晶体与外部电路连接起来，实现电信号的输入和输出。

引脚的数目和排列方式根据不同的换能器设计而有所不同。

以上是超声换能器的基本结构，不同的应用场景和设计要求可能会对换能器的结构和材料有所调整。

超声波换能器结构及应用超声波换能器（ultrasound transducer）是一种将电能转换成超声波能量的装置。

它通过使用压电效应将输入的电能转化为机械振动，从而产生超声波信号。

超声波换能器主要由压电晶体、电极和保护层组成。

压电晶体是超声波换能器的核心部件。

它是一种具有压电效应的晶体材料，常见的有石英、铅锆钛酸钡（PZT）等。

压电效应指的是在应力作用下，晶体产生电荷分离现象。

当施加电压时，晶体会变形，从而产生机械振动。

超声波换能器中的压电晶体一般是薄片状的，两面分别贴上电极。

电极与电源相连，电流流过晶体时，会在晶体内部产生内部电场，从而使晶体发生机械振动。

晶体振动时会产生一系列超声波脉冲信号，并由外部保护层传递出去。

这种结构的超声波换能器具有以下特点：1. 简单可靠：超声波换能器由少量的部件组成，结构简单，操作可靠，可以在不同的工作环境下稳定工作。

2. 高频率：超声波换能器可以产生高频率（通常在几十kHz至几百MHz之间）的超声波信号，这对于一些需要高分辨率的应用非常重要。

3. 高灵敏度：由于采用了压电晶体材料，使得超声波换能器具有高灵敏度，可以检测到微小的信号变化，适用于一些需要高灵敏度的应用。

超声波换能器广泛应用于医学、工业和科学研究领域：1. 医学领域：超声波换能器在医学超声成像中被广泛应用。

它可以通过发射和接收超声波信号来生成人体内部器官和组织的图像。

同时，超声波换能器也可以用于治疗，例如超声波刀等。

2. 工业领域：超声波换能器用于各种工业领域的无损检测。

例如，它可以用于检测材料中的缺陷、测量液体的流量等。

3. 科学研究领域：超声波换能器被广泛应用于物理学、地质学、材料科学等研究领域。

例如，它可以用于测量材料的弹性模量、研究地下构造、实验室中的声波传播等。

总之，超声波换能器是一种重要的装置，能够将电能转换成超声波信号，并广泛应用于医学、工业和科学研究领域。

随着技术的不断发展，超声波换能器的性能将得到进一步提升，为各个领域的应用提供更好的支持。

超声波换能器基本知识超声波换能器基本组成：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。

压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。

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。

超声波换能器功能结构：超声波换能器，包括外壳(1)、匹配层即声窗(2)、压电陶瓷圆盘换能器(3)、背衬(4)、引出电缆(5)，其特征在于它还包括Cymbal阵列接收器，它由引出电缆(6)、8～16只Cymbal换能器(7)、金属圆环(8)、(9)和橡胶垫圈(10) 组成；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器3之上；压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。

超声波换能器常见问题1、超声波振子受潮，可以用兆欧表检查与换能器相连接的插头，检查绝缘电阻值就可以判断基本情况，一般要求绝缘电阻大于5兆欧以上。

如果达不到这个绝缘电阻值，一般是换能器受潮，可以把换能器整体（不包括喷塑外壳）放进烘箱设定100℃ 左右烘干3小时或者使用电吹风去潮至阻值正常为止。

2、换能器振子打火，陶瓷材料碎裂，可以用肉眼和兆欧表结合检查，一般作为应急处理的措施，可以把个别损坏的振子断开，不会影响到别的振子正常使用。

3、振子脱胶，我们的换能器是采用胶结，螺钉紧固双重保证工艺，在一般情况下会出现这种情况。

4、不锈钢振动面穿孔，一般换能器满负荷使用10年可能会出现振动面穿孔的情况参考网站：。

2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。

电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。

(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。

(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，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，面它自身消耗很少的一部分功率。

超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。

40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。

F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。

电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。

电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。

电源用9V叠层电池。

测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。

发射超声波信号大于8m。

40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。

T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。

T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。

S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。

超声波换能器结构超声波换能器是一种将电能转换为超声波能量的装置。

它由压电材料和金属薄膜构成，具有结构简单、体积小、重量轻、输出能量高等特点。

超声波换能器广泛应用于医学、工业、军事等领域，成为现代科技发展中不可或缺的一部分。

超声波换能器的结构主要包括压电材料和金属薄膜两部分。

压电材料通常采用压电陶瓷或压电晶体，如PZT陶瓷或LiNbO3晶体。

这些材料具有压电效应，即在受到外力作用时能够产生电荷分布的变化，从而实现电能到机械能的转换。

金属薄膜是超声波换能器的另一个重要组成部分，其作用是将压电材料产生的机械振动转化为超声波能量输出。

金属薄膜通常采用铝或铜等导电材料制成，具有良好的导电性和机械性能。

在超声波换能器中，金属薄膜的一端与压电材料相连接，另一端则与外部电路相连。

超声波换能器的工作原理是利用压电效应和金属薄膜的振动特性来实现能量转换。

当外加电压施加到压电材料上时，压电材料会发生机械振动。

这种振动通过金属薄膜传递到工作介质中，产生超声波能量输出。

超声波换能器的输出频率和能量可以通过控制施加在压电材料上的电压来调节。

一般来说，施加在压电材料上的电压越大，压电材料的振动幅度就越大，输出的超声波频率和能量也就越高。

因此，通过调节施加在压电材料上的电压，可以实现对超声波换能器输出的频率和能量的控制。

超声波换能器在医学领域中有着广泛的应用。

例如，它可以用于超声影像技术中的传感器和探头，用于检测人体内部的器官和组织。

此外，超声波换能器还可以用于超声刀、超声清洗器等医疗设备中。

在工业领域中，超声波换能器可以用于测厚仪、超声焊接、超声清洗等领域。

在军事领域中，超声波换能器可以用于声纳系统、超声波通讯等应用。

超声波换能器是一种将电能转换为超声波能量的装置。

其结构简单，但具有重要的应用价值。

通过控制施加在压电材料上的电压，可以实现对超声波输出频率和能量的控制。

超声波换能器在医学、工业、军事等领域都有着广泛的应用，为现代科技的发展做出了重要贡献。

第三章医⽤超声换能器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。

超声波换能器的结构及原理超声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。

超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。

通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。

换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。

超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。

人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。

压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。

其结构原理如图3所示：图3超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。

压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。

当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。

相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。

通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图 4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。

如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。

超声换能器的工作原理一、超声换能器概述超声换能器是一种将电能转化为机械振动能的装置，其主要作用是将电信号转化为超声波信号，从而实现超声成像、测量、清洗等应用。

超声换能器广泛应用于医疗、工业、军事等领域。

二、超声换能器的构成超声换能器主要由压电陶瓷和金属壳体组成。

其中，压电陶瓷是超声换能器的核心部件，它可以将电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。

金属壳体则起到保护和固定压电陶瓷的作用。

三、压电效应原理压电效应是指在某些晶体中，当施加外力时会引起晶体内部产生极化现象，从而产生外场。

当施加外场时，则会引起晶体内部的形变或者位移。

这种现象被称为压电效应。

四、压电陶瓷的工作原理1. 压电陶瓷材料的选择目前常用的压电材料主要有PZT（铅酸钛）、PZN（铅锆酸钠）和PMN（铅镁酸钠）等。

其中，PZT是应用最广泛的一种材料。

2. 压电陶瓷的制备压电陶瓷的制备主要包括原料的选择、混合、成型、烧结等过程。

其中，PZT的制备需要严格控制其成分比例和烧结温度等参数。

3. 压电陶瓷的性能压电陶瓷具有良好的压电效应和介电性能，可以将高频电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。

此外，压电陶瓷还具有高稳定性、高灵敏度和高可靠性等特点。

五、超声换能器的工作原理1. 发射模式当超声换能器接收到高频电信号时，压电陶瓷会产生机械振动，并且把这些振动传递到金属壳体上。

随着振动频率的增加，金属壳体就会发出超声波信号。

2. 接收模式当超声波信号经过物体后返回到超声换能器时，金属壳体会将超声波信号转化为机械振动，并且将这些振动传递到压电陶瓷上。

压电陶瓷则会将这些机械振动转化为电信号，从而实现超声波信号的接收。

六、超声换能器的特点1. 高频率超声换能器可以发射和接收高频率的超声波信号，其工作频率一般在1MHz以上。

2. 高灵敏度由于压电陶瓷具有高灵敏度和高稳定性等特点，因此超声换能器具有较高的灵敏度和可靠性。

3. 宽频带超声换能器的工作频带一般比较宽，可以覆盖多种不同的应用场景。

压电式超声换能器结构
压电式超声换能器主要由压电材料、电极、背腔、声阻抗匹配层和外壳等部分组成。

1. 压电材料：是超声换能器的核心部分，具有压电效应，即在施加电场或机械应力时会产生电荷分离，从而产生声波。

常用的压电材料有PZT（铅锆钛酸钡）和PZT-5H等。

2. 电极：是与压电材料紧密连接的部件，负责施加电场以激励压电材料，并收集压电材料产生的电荷。

通常由银箔或金属薄膜制成，具有良好的导电性和机械强度。

3. 背腔：是压电材料的背面，与压电材料之间通过粘合剂连接在一起。

背腔的设计和尺寸对超声换能器的性能有重要影响，可以提高压电材料的振动效率和功率输出，同时改善超声换能器的频率响应和谐波抑制能力。

4. 声阻抗匹配层：是位于压电材料和介质之间的一层材料，目的是提高能量传输效率。

声阻抗匹配层的特性要与介质的声阻抗相匹配，从而减少声波的反射和能量损耗。

5. 外壳：是超声换能器的保护层，通常由金属或塑料制成，能够抵抗外界环境的影响和机械应力，同时起到封装和固定内部结构的作用。

此外，根据不同类型和用途，超声换能器还有其他一些重要组件，如声透镜（用于形成聚焦声束）、弹性层（用于增加机械振动效率）、导电橡胶（用于电极与外壳之间的导电连接）等。

这些组成部分的设计和制造工艺直接影响超声换能器的性能和应用效果。

超声波换能器结构1. 引言超声波换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置，广泛应用于医学、工业、军事等领域。

其结构设计直接影响了换能器的性能和效果。

本文将详细介绍超声波换能器的结构及其相关知识。

2. 超声波换能器的基本原理超声波换能器是基于压电效应工作的，压电材料在受到外界电场激励时会发生形变，从而产生机械振动。

当交变电压施加到压电材料上时，会使其产生高频振动，从而产生超声波。

3. 超声波换能器的结构超声波换能器一般由以下几个部分组成：3.1 压电材料压电材料是超声波换能器中最关键的部分，它负责将电信号转化为机械振动。

常用的压电材料有石英、锆钛酸铅等。

3.2 声头声头是超声波换能器中与被测介质直接接触的部分，它负责将机械振动转化为超声波能量并传递到被测介质中。

声头一般由金属材料制成，如铝合金、不锈钢等。

3.3 驱动电极驱动电极是超声波换能器中与压电材料直接接触的部分，它通过施加交变电压来激励压电材料产生振动。

驱动电极通常由导电材料制成，如银、铜等。

3.4 后盖后盖是超声波换能器的封装部分，起到保护内部结构和固定各部件的作用。

后盖通常由塑料或金属制成。

4. 超声波换能器的工作过程超声波换能器的工作过程可以分为两个阶段：发射和接收。

4.1 发射在发射阶段，驱动电极施加交变电压，激励压电材料产生机械振动。

这种振动通过声头传递到被测介质中，并形成超声波。

超声波在被测介质中传播并与介质相互作用，从而产生回波。

4.2 接收在接收阶段，声头接收到回波信号，并将其转化为机械振动。

这种振动通过压电材料传递到驱动电极上，产生电信号。

通过对这个电信号进行放大和处理，可以得到被测介质的相关信息。

5. 超声波换能器的应用超声波换能器广泛应用于医学、工业、军事等领域。

在医学领域，它被用于超声影像、超声治疗等；在工业领域，它被用于无损检测、清洗等；在军事领域，它被用于水下通信、探测等。

6. 结论超声波换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置，其结构设计直接影响了换能器的性能和效果。

pzt超声换能器原理及结构PZT超声换能器是一种常用的压电陶瓷换能器，它通过压电效应将电能转化为声能。

PZT超声换能器的原理和结构具有独特功能和指导意义。

下面将为大家详细介绍。

PZT超声换能器的原理是基于压电效应。

压电效应是指某些晶体在受到压力或拉伸时，会产生电荷分离，从而形成电势差。

而PZT超声换能器采用的是铅酸钛压电陶瓷，当施加电压时，陶瓷内部的晶格结构会发生畸变，导致正负电荷分离。

这种电荷分离会引起陶瓷的体积变化，从而产生声波。

PZT超声换能器的结构主要包括压电陶瓷片和电极。

压电陶瓷片是PZT超声换能器的核心部件，通常为圆形、方形或矩形。

它具有良好的压电性能和机械强度。

而电极用于施加电压和收集由陶瓷片产生的电荷。

当外部电源施加电压时，电极将电荷输送到压电陶瓷片的内部，导致压电陶瓷片产生形变。

这种形变会在超声换能器的表面产生声波，声波的频率与施加的电压频率相同。

因此，通过调整电压的频率和幅值，我们可以控制PZT超声换能器产生的声波的频率和强度。

PZT超声换能器由于其特殊的原理和结构，在许多领域都有广泛的应用。

例如，医学领域利用PZT超声换能器的声波特性进行超声诊断，可以检测人体内部的结构和病变。

此外，PZT超声换能器在工业领域也被广泛应用，用于探测材料的缺陷和质量检测。

为了充分发挥PZT超声换能器的性能，我们需要注意几点。

首先，选用合适的电压和频率，以保证产生理想的声波。

其次，要保证陶瓷片的质量和机械强度，避免因机械损坏导致性能下降。

最后，要定期检测和维护PZT超声换能器，确保其正常工作。

总之，PZT超声换能器通过压电效应将电能转化为声能，其原理和结构具有独特功能和指导意义。

它在医学、工业等领域的应用广泛，具有重要的意义。

我们应充分发挥其性能，注意选用合适的电压和频率，保护好陶瓷片的质量，定期检测和维护，以确保其正常运行。

声学换能器技术专题超声技术的基石———超声换能器的原理及设计3林书玉(陕西师范大学物理学与信息技术学院　西安　710062)摘　要 超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件,它是超声技术中的关键器件,其性能好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围.由于超声技术的应用范围很广,且超声新技术层出不穷,因而与此对应的超声换能器的种类也很多.文章对不同应用背景下多种类型超声换能器的原理及设计进行了阐述,分析了不同类型超声换能器的性能参数及设计要求,简要总结了超声换能器的性能参数测试方法,并对超声换能器的发展趋势进行了一定的分析.关键词 超声换能器,功率超声换能器,检测超声换能器,电声效率,灵敏度,功率容量Founda ti ons of ultra son i c technology ———the theoryand desi gn of ultra son i c transducersL IN Shu 2Yu(College of Physics and Infor m ation Technology,Shaanxi N or m al U niversity,X i ′an 710062,China )Abstract U ltras onic transducers convert electric signals into acoustic signals in the ultras onic frequency range,or vice versa .They are key devices in ultras onic technology and their perfor mance deter m ines the effectiveness and uses of ultras onic technology .Because of their diverse app lications,there are many types of ultras onic transduc 2ers .I n this paper,various transducers for different app lications are described,and their theory,design and per 2for mance requirements are analyzed .Their characterizati on is als o outlined,and development trends are analyzed .Keywords ultras onic transducers,po wer transducers,detecti on transducers,electr o 2acoustical efficiency,sensitivity,power capacity3　国家自然科学基金(批准号:10674090)和教育部博士点基金(批准号:20050718003)资助项目2008-09-11收到　Email:sylin@snnu .edu .cn1　概述1.1　引言超声技术出现于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.超声学主要研究超声波在不同介质中的产生、传播、接收、信息处理及有关的效应等问题.超声物理和超声工程是超声学的两个主要方面.超声物理是超声工程的基础,它为各种各样的超声工程应用技术提供必需的理论依据及实验数据.超声工程的研究内容主要包括各种超声应用技术中超声波产生、传输和接收系统的工程设计及工艺研究.超声在介质中传播时会产生许多物理、化学及生物等效应,同时因为超声穿透力强、方向性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线检测和诊断而实现无损检测,因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用.超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将声信号转换为电信号的能量转换器件,它是超声设备中的关键器件,因而无论在换能机理还是工艺设计等方都受到了人们的长期关注.1.2　超声换能器的种类超声换能器的种类很多.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.1.3　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、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,对换能器的有关参数进行合理的设计.1.4　超声换能器的分析方法超声换能器包含了电路系统、机械振动系统和声学系统,并且三者在换能器工作时,有机地结合在一起成为一个统一的整体.这样就决定了对它的研究方法是融合了电子学、力学、声学等诸方面的研究方法,并且通过电-力-声类比,使三者能够用统一的等效机电图和等效方程式,方便地进行对其深入的研究.为了确定换能器的工作状态,必须求出它的机械振动系统的状态方程式和电路系统状态方程式.换能器机械系统的状态方程式(简称为机械振动方程)是换能器处于工作状态时,描写它的机械振动系统的力与振速的关系式,而电路系统的状态方程式(简称电路状态方程式)是描写电路系统的振动特性的.由于换能器的机械系统和电路系统是互相耦合的,所以机械系统的振动会影响到电路的平衡,而电路的变化也会影响到机械系统的振动,因此我们总是利用这些方程组分析、讨论换能器的工作特性.由上述换能器的三组基本关系式,可以对应地作出换能器三种形式的等效图.第一种是等效机械图,将换能器等效为一个纯机械系统的等效图;第二种是把机械一边的元件和参量,通过机电转换化为电路一边的元件和参量,即把一个换能器等效为一个纯电路系统,称此为等效电路图;第三种称为等效机电图,同时包含电路一边和机械一边的等效图.利用这些等效图可以简便地求出换能器的若干重要的性能指标.另外,随着数值计算技术的发展以及新型换能器的研发,数值计算方法在换能器的分析中获得了广泛的应用.在超声换能器的设计过程中,有限元计算方法得到了青睐,其中最普遍的商用软件就是ANSYS.其中与换能器设计有关的问题主要是结构分析、压电耦合分析、流体-结构耦合分析,有时还要用到电磁场分析、热分析等.用ANSYS设计分析换能器的突出优点是不受换能器结构及尺寸的限制,可进行复杂结构换能器的设计.利用有限元软件进行换能器的设计能方便地计算出换能器的谐振频率,观察谐振时换能器各部分的位移分布,得到换能器的导纳曲线、发射接收的频率响应曲线和指向性图,还可进行换能器的结构优化.2　功率超声换能器在功率超声领域,声能的产生主要通过三种方法,即流体动力法、压电效应法以及磁致伸缩效应法[1—9].流体动力型超声发生器包括气流声源和液体动力声源两种.气流声源是一种机械式的声频或超声频振动发声器,它依靠气流的动能作为振动能量的来源,可分为低压与高压声源两种.低压声源也称为哨,如通常的哨子及旋涡哨等.高压声源包括哈声学换能器技术专题特曼哨及其各种变异体等.低压气流声源的效率较高,可达30%左右,但声功率不高,通常不超过数瓦.高压声源的效率较低,但可获得较大的声功率.流体(液体)动力发生器声源是将液态流体中的涡流能量转换成声波辐射的一种声波换能器.它的工作原理是利用由喷嘴出来的射流与一定几何形状的障碍物(腔体)的相互作用,或者利用周期性地强迫射流中断的方法使液体媒质发生扰动,从而产生某种形式的速度场与压力场.流体动力发声器能在相当宽的频带内工作,能在0.3至35千赫频带内辐射1.5—2.5W /c m 2的声强.流体(液体)动力发生器声源的优点是可以廉价地获得声能,结构简单.液体流一方面是产生振动的动力源和振动体,另一方面又是传播声波的载体,因此易于声匹配.流体动力型超声发生器的主要应用包括气体中的超声除尘、空气中尘埃的凝聚、气体和重油的阻燃、加速热交换、超声干燥、超声液体处理、超声化学、超声除泡沫以及液体中的油水乳化、加速晶体化过程等.利用流体动力法产生超声的装置主要包括用于气体中的葛尔登哨、哈特曼哨及旋笛,用于液体中的簧片哨(见图1),以及可同时用于气体和液体中的旋涡哨等.图1　可在液体中产生超声的金属簧片哨基于压电效应原理工作的换能器统称为压电换能器.在功率超声领域,应用最广的是夹心式压电换能器,又称为复合棒换能器或郎之万换能器(见图2).除了常用的纵向振动模式换能器外,为适应功率超声新技术的需要,发展了扭转振动模式、弯曲振动模式、纵-扭以及纵-弯复合模式功率超声换能器.其分析理论已经从一维发展到了三维.除了传统的等效电路法和波动方程法以外,一些近似的分析方法,如等效弹性法以及有限元法等,在大尺寸功率超声换能器的分析中得到了广泛的应用.一些大型的数值分析软件,如ANSYS 等,不仅可以分析换能器的振动模式和共振频率,而且可以给出换能器任意位置及任意时刻的应力和应变状态以及位移分布,非常适用于换能器的优化设计.目前,功率超声换能器的工作频率也从常用的较低频率(如20kHz ),发展到了较高频率(如几百千赫兹甚至兆赫兹数量级),如应用于硅片清洗的兆赫兹换能器和用于集成电路微点焊机的小型高频超声焊接机.另外,换能器的工作频率也从单一工作频率发展到了多个工作频率.例如用于超声清洗中的复频换能器和宽频换能器等,以及用于超声焊接中的双工作频率超声振动系统等.单个换能器的功率容量也从几十瓦发展到几百瓦甚至几千瓦.图2　夹心式压电陶瓷超声换能器在压电超声换能器的发展过程中,压电材料的性能提高是关键.据报道,国内外的相关单位已研制出一类新的压电单晶材料(P MN 2PT 及PZ N 2PT ),其压电常数是现有的传统压电材料(如锆钛酸铅材料)的几倍乃至几十倍,但这种材料的工作频率上限还需进一步提高.可以预计,这种材料一旦商品化,换能器的功率容量以及振动位移将发生革命性的变化.另外,现有的压电陶瓷材料绝大部分都采用铅基的压电材料,但是由于国际环境保护法的实施,对无铅压电材料的研制提高到了一个新的高度,目前国内已有相当多的关于无铅压电陶瓷的研究报道,但真正能用于功率超声换能器且和锆钛酸铅陶瓷材料相媲美的廉价的无铅压电陶瓷材料实际上不存在.磁致伸缩换能器是基于某些铁磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸缩效应而制成的一种机声转换发声器件(见图3).传统的磁致伸缩材料包括镍、铝铁合金、铁钴钒合金、铁钴合金以及铁氧体材料等.与压电超声换能器相比,由传统的磁致伸缩材料制成的磁致伸缩换能器的应用范围已经很小,造成这种情况的原因在于磁致伸缩换能器的机电转换效率较低,而且其激励电路较复杂.然而随着材料科学技术声学换能器技术专题的发展以及稀土超磁致伸缩材料的研制成功,磁致伸缩换能器又受到了一定的重视.预计将来不久,利用稀土超磁致伸缩材料制成的大功率换能器将在超声技术中获得大规模应用.图3　磁致伸缩超声换能器示意图3　检测超声换能器检测超声换能器是实现产生和接收超声信号的主要器件.随着无损探伤技术的发展,对检测超声换能器的理论探讨和设计制作,受到了广泛的重视.目前检测超声换能器主要是利用压电材料制成的压电陶瓷超声换能器、静电换能器以及电磁声换能器等.在无损检测领域,人们常常称其为超声探头.图4所示为一个传统的压电式超声检测用纵波直探头.图4　检测超声换能器探头是与超声探测的方法紧密地联系在一起的.由于超声检测的应用领域广泛,超声检测的方法很多,因而超声探头的种类也是多种多样的.用于主动式超声检测的探头有:按频谱分有宽带窄脉冲探头和窄带连续波探头,以及冲击波探头、特高频探头和特低频探头;按工作波形分有直角纵波探头和斜角横波探头、板波探头、表面波和爬波探头;按耦合方式分有直接接触探头和水浸探头;按波束分有不聚焦的平探头和聚焦探头;按工作方式分有单探头、双探头、机械扫描和电子切换探头、电子束扫描相控阵探头等;按工作的环境分有高温探头、微型探头、高压探头等.被动工作式声发射探头有多模探头、波形鉴别和定位探头、小频率窗口的窄带探头和大频率窗口的窄带探头等.声学振动检测法探头有声阻法探头、声撞击探头、福克仪探头、硬度计探头、粘度计探头、加速度计探头、压力传感器探头等.此外还有科研用的一些特殊探头,如用于声场测试的微型探头、脉冲响应测试的宽带探头以及灵敏度校准的标准探头等.超声检测换能器大都工作在暂态状态下.换能器的暂态特性的研究实际上就是探讨探头在脉冲信号下的信号传输的特性,主要包括以下几部分内容.第一,探头在已知电脉冲的激励下,在负载中产生的超声波脉冲响应特性.第二,在一个已知的超声波脉冲的作用下,超声探头输出的电脉冲响应特性.第三,在已知的电脉冲的作用下,探头在负载中产生的超声脉冲由界面反射回来后又被探头接收输出的电脉冲响应特性等.以上三种情况也就是通常所说的超声发射、接收以及又发又收特性.超声探头的这些特性,不仅与探头的结构(背衬、压电片、匹配层和保护膜)和工作模式(纵波、横波、表面波及板波等)有关,还和超声波发生器的内阻和接收器的输入阻抗有关,而且还与激励信号的波形(发射时的电压波形以及接收时的入射声波波形)等有关.因此系统完整的有关探头暂态特性的分析内容是相当丰富的,而且与换能器的稳态特性相比,换能器的暂态特性的分析要复杂得多.检测超声换能器要求有高的灵敏度和信噪比.在噪声电平一定的情况下,增大有用信号的方法有两种,一是增加激励源电压,也就是增加发射声功率,然而这必须是有限度的,因为增加声功率一方面可能造成对检测物体或人体有害,另一方面也增加了电路的难度.第二种方法则是提高换能器的灵敏度,这是衡量检测超声换能器好坏的一个重要标志.换能器的灵敏度与换能器和电源内阻间的阻抗匹配密切相关.由于检测超声换能器的声负载(待探测物体)的声阻抗率与换能器材料严重失配,灵敏度往往较低.为了提高换能器的灵敏度,需要采用声匹配和电路匹配方法.声、电匹配可以使换能器的频带变宽,插入损耗减小,因而换能器的灵敏度提高,在同样激励源和背景噪声的情况下,信噪比也提高.此外,为了获得微小缺陷所必要的分辨率,要求声学换能器技术专题超声换能器有较高的纵向和横向分辨率等.目前提高换能器纵向分辨率的主要方法包括提高换能器的工作频率以及改善换能器的脉冲响应,实现宽带窄脉冲.另外,声、电匹配不仅可以提高换能器灵敏度,而且可以改善脉冲响应特性,从而提高系统的纵向分辨率.超声检测系统的横向分辨率是由换能器的声束宽度来决定的,为了提高换能器的横向分辨率,最有效的办法就是采用聚焦超声换能器,例如球型压电聚焦换能器、透镜聚焦换能器以及相控阵电子聚焦换能器等.4　超声换能器的性能测试在超声技术中,为了评价超声振动系统的性能以及超声的作用效果,必须对超声换能器的性能参数进行测试[10—15].超声换能器的各种参数大概可以分为两大类:第一类是与换能器本身的振动性质有关的物理量,如换能器的振动位移和振速及其分布,与其相关的测试方法主要包括显微镜法、干涉法以及全息法等,既可以进行绝对测量,也可以进行相对测试;第二类是与换能器的辐射声场有关的物理量,如换能器的辐射声功率,声强度以及声场分布等.关于超声换能器的性能测试,主要有两种方法,即小信号法以及大信号法两种.目前有关功率超声换能器的测试基本上限于小信号状态下的测试,常用的方法包括导纳和阻抗圆法,传输线法以及功率曲线法等.对于接收型超声换能器,其性能要求与发射型有所不同,因而其测试方法也有差异.对于接收型换能器,接收灵敏度是一个重要的电声参数,涉及到的测试方法有两种,一是比较法,二是互易法.一般来说,比较法主要用于校准测量换能器,而互易法主要用于校准标准换能器.关于超声换能器的大功率性能测试,由于换能器的非线性以及振动系统的复杂性,如波形畸变以及负载变化等,国内外至今没有一种通用的测试方法,也缺乏统一的国际和国家标准,因此,对于一些实用功率超声技术的评价缺乏统一的标准,也无法衡量大功率超声设备,如超声清洗机以及焊接机等的性能.日本学者于70年代提出了一种可以测量大功率超声换能器振动性能的高频电功率计法.该法可以测量换能器在大功率状态下的辐射声功率及电声效率.然而,这种方法存在一些致命的缺点,限制了其在实际中的应用.第一,为了测量换能器的介电损耗功率,需要两个性能完全一致的换能器,这一点在实际中是很难做到的.第二,为了得到换能器的介电及机械损耗功率,事先必须测出换能器的介电及机械损耗功率与换能器端电压和振动速度之间的依赖关系.鉴于上述原因,这种方法至今仍没有在实际中得到广泛的应用.功率超声在液体中的应用技术基本上都与超声的空化现象有关,所有的大功率超声液体声场实际上就是微观超声空化场的宏观表现.因此大功率超声场的测试实际上也就是超声空化场或空化现象的测试.由于超声的空化现象是一个极为复杂的非线性微观过程,其实际的测试极为困难和复杂,因而大功率超声场的定量精确测试也是很难的.比较流行的测试方法主要有两种:直接测量法(直接测量声场物理量的方法,这些物理量包括声压、声强以及声功率等)以及间接测量法(通过观察功率超声场的空化效果间接测量低频高强超声场).超声场的直接测试方法包括水听器法,如压电水听器、磁致伸缩水听器及光纤水听器等;热敏探头法,如热电偶和热敏元件等;以及光纤探测法和量热法等.间接测试方法包括薄膜腐蚀法,影像法,如淀粉碘化钾反应法,染色法,液晶显色法,声致发光成像法等,以及谱分析法,如频谱和功率谱分析法,声发射谱法,空化噪声谱等.在超声技术中,声功率是一个非常重要的物理量,有关其测试方法的研究报告也很多.声功率的直接测试方法主要包括用于小功率的辐射压力法(见图5)和用于大功率超声的量热法.辐射压力法主要用于医学超声功率的测试,测试范围从毫瓦级到几瓦乃至几十瓦不等,测试精度较高,基本上可以控制在10%左右.目前用于大功率超声功率的测试方法主要是量热法,随着灵敏的热敏器件的研究技术不断提高,可以预计超声功率的量热法测试将会受到更多的关注和重视.5　新型超声换能器5.1　大功率管状超声辐射器[16,17]Frei首次提出了一种用于超声清洗的新型超声波换能器———管状换能器(Tube res onat ors),结构如图6(a)所示.它由一个普通纵向振动换能器和一个圆管连接而成,圆管受换能器激励并将纵向振动转化为径向振动向周围液体辐射超声波.圆管可为实心也可为空心,其长度为振子工作时所对应半波长声学换能器技术专题图5　利用辐射力法测量超声换能器的声功率的整数倍.由于该管状换能器沿管体均能辐射超声波,故其辐射面积较普通夹心式换能器大很多,而且它通过径向振动向周围辐射声能,所以产生的声场也比较均匀.后来,W alter 等人对管形振子进行了改进,通过在圆管两端使用两个纵向振动换能器同时激励,从而更有效地将纵向振动转化为径向振动,并称这种振子为推拉换能器(Push -Pull transducers ),其结构如图6(b )所示,它和图6(a )所示管状换能器的结构相似,不同的是此时圆管两端均有纵振换能器激励,两个换能器通过内部导线相连接,最后经引线连接到超声电源.当圆管长度为振子工作时所对应半波长的奇数倍时,两个纵振换能器需同相激励;相反,当圆管长度为半波长的偶数倍时,两端的换能器需反相激励.目前,瑞士TE LS ON I C 、美国CREST 等公司均推出了该类换能器的系列化产品,工作频率有20kHz 、25kHz 、30kHz 、40kHz,输出功率最高达2000W ,振子最长近1.5m.我国也有单位于近年研制成功了此类管状换能器.图6　管状超声换能器结构示意图5.2　复频换能器研究[18—22]在超声清洗以及声化学等应用中,需要宽频带或具有多个共振频率的换能器.尽管可以利用电路技术中的扫频技术,但由于传统的夹心式压电换能器的频带较窄,因此扫频技术的效果不很理想.为了使换能器的频带加宽,或设计具有多个共振频率的换能器,可以采用的措施包括:(1)通过改变换能器电端匹配电路中的电感可以改变换能器的共振频率;(2)利用换能器的径向振动和纵向振动之间的耦合振动可以对换能器的共振频率和频带进行调节;(3)利用穿孔换能器可以展宽换能器的频带;(4)利用换能器辐射头的弯曲也可以展宽换能器的频带宽度;(5)利用矩形辐射板的弯曲振动,可以实现复频功率超声换能器,如图7所示.图7　弯曲振动矩形辐射板复频超声换能器5.3　大功率气介超声换能器的研究[23—28]西班牙学者提出了一种由纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器与弯曲振动板(圆板或矩形板)组成的大功率气介超声换能器(见图8),通过相位补偿技术,单个换能器的辐射功率可以达到500W ,电声效率可以达到75%.换能器的辐射面直径可以达到1m.此类换能器主要用于超声除尘、超声去泡沫以及超声清洗纺织品等.5.4　复合振动模式换能器的研究[29—32]随着超声技术的发展,一些新的超声应用技术声学换能器技术专题。