超声换能器特性

压电超声换能器是一种利用压电效应将电能转化为声能或反之的设备。

它是将压电材料（如石英、铅锆酸钛等）制成特定形状的片状或圆柱状结构，并在其两面分别连接电极，形成压电陶瓷。

当施加电场或施加机械应力时，压电材料会发生形状变化，从而产生声波。

压电超声换能器具有以下特点：
1.压电效应：压电材料具有压电效应，即在电场或应力的刺激下发生形状变化。

通过施加电压或机械压力，压电超声换能器可以产生声波，并将电能或声能转换为对应形式的能量。

2.幅频特性：压电超声换能器的发声频率与材料的厚度、形状和工作模式有关。

通过调节电场或机械应力的参数，可以控制发声频率的范围和图案。

3.高能量转换效率：压电超声换能器的能量转换效率较高，能够将电能转换为声能或反之，从而实现能量的转换和传递。

4.高灵敏度和精度：压电超声换能器对外部刺激的响应速度快，具有高灵敏度和精度。

它能够快速、准确地将电信号转换成声信号或将声信号转换成电信号。

压电超声换能器在许多领域有广泛的应用，例如医学超声成像、声学测量、工业无损检测、流体控制等。

在医学领域，它可以将电信号转换为声波，通过适当的处理和解读，实现对人体组织的成像和诊断。

在工业领域，它可以用于缺陷检测、材料测试、流体控制等方面，具有重要的应用价值。

超声波换能器的原理及应用1. 引言超声波换能器是一种将电能转换为超声波能量的装置，广泛应用于医学、工业和科学领域。

本文将介绍超声波换能器的原理以及其在不同领域的应用。

2. 超声波换能器的原理超声波换能器基于压电效应工作，通过压电陶瓷材料的电能-机械能转换来产生超声波。

其工作原理如下：•步骤1：输入电压。

将交流电压输入到超声波换能器的电极上。

•步骤2：电能转换。

电压变化引起陶瓷材料的变形，从而产生机械能。

•步骤3：超声波产生。

机械能作用于震动体，使其振动，并传递给工作介质，从而产生超声波。

超声波换能器的原理可以通过以下优点总结： - 高效率：能够将电能转换为超声波能量的效率高达90%以上。

- 宽频带：能够产生多种频率的超声波，适用于不同的应用需求。

- 快速响应：超声波换能器的响应速度非常快，可以快速启动和停止。

3. 超声波换能器的应用超声波换能器在医学、工业和科学领域有广泛的应用。

3.1 医学应用在医学领域，超声波换能器被广泛应用于以下几个方面：•超声成像：超声波换能器可以发送超声波到人体内部，通过接收回波信号来生成人体组织的影像，用于诊断疾病和监测器官功能。

•超声治疗：超声波换能器的超声波能量可以被利用来破坏肿瘤细胞、促进伤口愈合和缓解疼痛等治疗应用。

•超声检测：超声波换能器可以检测血流速度、血管狭窄和心脏功能等生理参数，用于临床诊断和疾病监测。

3.2 工业应用在工业领域，超声波换能器被广泛应用于以下几个方面：•清洗和清理：超声波换能器产生的超声波可以在液体中形成微小气泡，通过气泡的爆破来清洗和清理物体表面，如清洗零件和去除污垢。

•切割和焊接：超声波换能器可以产生高频振动，通过振动能量来切割、焊接和铆接材料，适用于精密加工和组装。

•化学反应：超声波换能器可以加速化学反应速率，提高反应效率，广泛应用于催化反应和合成化学。

3.3 科学研究应用在科学研究领域，超声波换能器被广泛应用于以下几个方面：•材料分析：超声波换能器可以通过测量材料中的超声波传播速度和衰减程度来分析材料的物理性质和结构。

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。

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。

超声波聚能换能器的特点超声波聚能换能器是一种特殊设计的换能器，它利用聚焦原理将超声波能量聚集到一个较小的区域，以提高超声波的强度和效率。

这种换能器在许多领域都有广泛的应用，如医学成像、无损检测、清洗和加工等。

以下是超声波聚能换能器的特点：1. 高能量密度：通过聚焦技术，超声波聚能换能器可以将超声波能量聚集到一个较小的区域，从而实现高能量密度的输出。

这使得它在需要局部高强度超声波的场合具有很大的优势。

2. 高效传输：超声波聚能换能器通常具有较好的声学性能，能够高效地将输入的电信号转换为超声波信号，并传输到所需的区域。

这有助于减少能量损失，提高超声波应用的效率。

3. 定向性：通过特定的设计，超声波聚能换能器可以实现超声波的定向传输。

这使得它能够在特定的方向上集中超声波能量，提高超声波的强度和穿透能力。

这种定向性在某些应用中是必要的，例如在医学成像中需要将超声波聚焦到特定的组织或器官上。

4. 可定制性：超声波聚能换能器的形状和尺寸可以根据具体需求进行定制。

不同的应用场景可能需要不同形状和尺寸的换能器，以满足特定的声学和机械要求。

5. 可靠性：与其他类型的换能器相比，超声波聚能换能器通常具有较高的可靠性和稳定性。

它的结构相对简单，没有过多的机械运动部件，因此在使用寿命和稳定性方面表现较好。

6. 环境适应性：超声波聚能换能器具有较强的环境适应性，能够在不同的温度、湿度和压力条件下工作。

这种适应性使得它在各种复杂环境中都能保持稳定的性能。

总之，超声波聚能换能器具有高能量密度、高效传输、定向性、可定制性、可靠性和环境适应性等特点。

这些特点使得它在许多领域中成为一种高效、可靠的超声波应用解决方案。

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。

超声换能器参数全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：超声换能器是一种能够将电能转换成声能的装置，广泛应用于医疗、工业、生产和科研领域。

超声换能器的性能参数是评价其质量和性能的关键指标，不同应用场景中的超声换能器参数也有所不同。

在选择超声换能器时，了解其参数对于正确使用和优化超声技术至关重要。

常见的超声换能器参数包括频率、功率、灵敏度、带宽、直径和焦距等。

不同参数对于超声换能器的性能和应用有着重要的影响。

首先是频率，频率是超声换能器发出声波的振动频率，一般以千赫（kHz）为单位。

不同频率的超声换能器在不同领域有不同的应用，高频率的换能器通常用于精细的医疗成像和治疗，而低频率的换能器则更适合工业应用中的密封、焊接和清洗等操作。

其次是功率，功率是指超声换能器转换电能成声能的能力，通常以瓦（W）为单位。

功率越大的超声换能器通常具有更好的穿透力和清洁效果，适用于处理较大面积或密度较高的材料。

第三是灵敏度，灵敏度是指超声换能器接收声波的能力，一般以毫伏（mV）为单位。

较高的灵敏度可以提高换能器的接收效率，更精确地检测声波信号。

带宽是超声换能器所能接收或发射声波的频率范围，一般以千赫（kHz）为单位。

带宽越宽的超声换能器能够传输更多种类的声波信号，适用于复杂的应用场景。

直径和焦距是超声换能器的物理尺寸参数，直径通常以毫米（mm）为单位，焦距以厘米（cm）为单位。

直径和焦距的大小决定了超声波的聚焦效果和传播范围，不同尺寸的超声换能器适用于不同尺寸和形状的工件处理。

除了以上参数外，超声换能器的耐磨性、防水性、耐高温性、使用寿命等也是需要考虑的重要因素。

在选择和使用超声换能器时，需要根据具体的应用场景和需求来合理选取参数和进行操作。

超声换能器参数是评价超声技朧器性能和质量的重要标准，正确选择和使用超声换能器的参数对于提高工作效率、质量和安全性具有重要意义。

希望以上介绍能为大家选择和使用超声换能器提供一定的参考和帮助。

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。

超声换能器效率
超声换能器的效率通常是指其能将电能转换为声能或者反之的能力。

超声换能器是一种能够将电能转化为声波能量或者将声波能量转化为电能的设备。

其效率主要受以下几个因素影响：
1. 材料特性：超声换能器所用材料对于能量转换效率有着显著的影响。

通常，使用高品质、能够有效传导声波或电能的材料可以提高效率。

2. 频率：超声波频率通常影响能量转换的效率。

在特定材料和设备设计条件下，不同频率可能有不同的效率表现。

3. 设计和制造质量：设备的设计和制造质量会直接影响效率。

优质的设计和制造有助于最大化能量转换。

4. 匹配负载：超声换能器的效率还取决于其与外部负载的匹配程度，包括传递或接收声波能量时的匹配。

5. 驱动电源：驱动超声换能器的电源稳定性和输出能力也对效率有所影响。

6. 工作环境：工作环境条件如温度、湿度等因素也可能影响效率。

超声换能器的效率通常会在实际使用中进行测试和测量，以确保其在特定条件下的性能表现。

然而，不同类型的超声换能器以及其应用范围，其效率可能会有所不同。

实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析李武松 生基硕81 08123011一、实验目的1、 复习单阵元超声换能器声场分布特性的理论知识，包括单阵元圆形聚焦和非聚焦换能器。

2、 学习利用针式水听器测试换能器声场特性的原理及方法。

3、 利用实验室Panametrics 多扫描系统测量5 MHz 、3.5MHz 、2.25 MHz 、1MHz 聚焦或非聚焦Panametircs 换能器声场分布，掌握实验过程和数据的计算机处理方法。

4、 比较同频率聚焦换能器与非聚焦换能器的声场特性；比较不同频率的聚焦换能器的声场特性、不同频率的非聚焦换能器的声场特性，并分析声场特性随频率的变化规律；二、数学物理原理Ⅰ 诊断超声换能器的声场特性超声辐射场是指超声能量分布的空间，即超声换能器所发射的超声波到达的区域，接受超声治疗与检测的区域均属于超声场的部分。

各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。

1. 单阵元非聚焦超声换能器的声场特性根据声学理论，一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场，可以按照惠更斯原理进行分析，即将换能器或阵的有效辐射面，看作是无数点声源的组合。

辐射声场中某一点的声压是辐射面上所有的点源在该点产生的声压叠加的结果，因而可以通过对整个辐射面的积分来计算，如图1所示。

图1 圆片换能器轴向辐射对于实验所用的单源圆形平面换能器，其轴线上任意一点的声压公式为：122202sin[()]sin()z p p a z z t ka πωλ=+-- (1)其中，0p 为声源处起始声压；a 为圆片半径；z 为该点距离声源的距离；ω为角频率；2k πλ=，λ为波长，声压随时间作周期性变化。

声压振幅：122202sin[()]m p p a z z πλ=+- (2)当2z a >时， 202sin()2m a p p zπλ= (3)又当23a z λ>时，22sin()22a a z z ππλλ≈，所以200m p a p S p z zπλλ==（2S a π=，即圆盘面积） (4) 从上式可以看出，m p 与z 成反比，即当z 足够大(23a z λ>)时，圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减，如图2：图2 圆片换能器（a ）声束（b ）轴线上声压分布在近场有极大极小值，这是由于在靠近声源处，换能器平面边缘和平面中心辐射声波到达轴线上某点波程差不同引起声波相互干涉的结果。