超声波换能器材料的设计与研究

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：**指导教师：**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。

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。

超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。

为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。

本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。

一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。

常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。

其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。

在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。

此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。

二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。

典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。

其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。

但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。

因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。

超声换能器的电极结构也需要优化设计。

传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。

因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。

三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。

现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。

其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。

一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。

新型超声换能器的设计原理与应用新型超声换能器的设计原理与应用1. 引言在现代科技发展的今天，超声技术在各个领域的应用越来越广泛。

作为一种能够产生高频声波并将其转化为其他形式能量的装置，超声换能器在医疗、工业、通信等领域发挥着重要的作用。

本文将深入探讨新型超声换能器的设计原理与应用，旨在帮助读者更全面地理解这一领域的知识。

2. 超声换能器的基本原理超声换能器是一种能够将电能转化为声能或声能转化为电能的装置。

其基本原理是利用压电材料的压电效应或逆压电效应来实现能量的转换。

当施加外加电场时，压电材料会产生机械应变，从而产生声波。

逆压电效应则是指在超声波的作用下，压电材料会产生电荷，从而转化为电能。

3. 新型超声换能器的设计原理3.1 材料选择新型超声换能器的设计首先要考虑材料的选择。

常用的压电材料有PZT陶瓷、PZT单晶、PVDF等。

不同材料具有不同的压电系数和机械性能，因此在选择时需要根据具体需求进行权衡。

3.2 结构设计结构设计是超声换能器设计中的关键环节。

传统的压电换能器一般采用表面贴装方式，但这种结构存在粘接问题和能量密度限制等局限性。

新型超声换能器通过优化结构设计，可以提高换能效率和频率响应，如采用双晶换能器和双接触换能器等。

3.3 电极设计电极的设计对超声换能器的电性能和机械性能有着重要影响。

新型超声换能器可以采用分叉电极设计或等效电路设计，以提高耦合效率和能量转化效率。

4. 新型超声换能器的应用4.1 医疗领域在医疗领域，新型超声换能器广泛应用于医学成像、超声治疗、超声导引等方面。

超声图像设备利用超声换能器将电能转化为声能，并通过人体组织的反射返回的声波来进行成像。

4.2 工业领域在工业领域，新型超声换能器可以应用于无损检测、测量和控制等方面。

超声换能器可以用于检测材料的缺陷、测量液位和压力、控制液体流量等。

4.3 通信领域在通信领域，新型超声换能器可用于声表面波传感器和超声波射频识别等应用。

超声波换能器发射压块设计方案超声波换能器是一种能够将电能转化为机械振动能的器件，广泛应用于医疗、工业和军事等领域。

本文将围绕超声波换能器的发射压块设计方案展开讨论。

超声波换能器的发射压块是指换能器的振动部分，通常由压电陶瓷材料构成。

压电陶瓷材料具有压电效应，即在电场的作用下，会发生形变或产生机械振动。

利用这一特性，超声波换能器能够将电能转化为机械振动能，并通过介质传播出去。

在设计超声波换能器的发射压块时，需要考虑以下几个方面。

要选择合适的压电陶瓷材料。

压电陶瓷材料的选择直接影响到超声波换能器的性能。

常用的压电陶瓷材料有PZT、PMN-PT等，它们具有较高的压电系数和较好的稳定性，适合用于超声波换能器的发射压块。

要确定压块的形状和尺寸。

压块的形状和尺寸会影响到换能器的工作频率和辐射特性。

通常情况下，压块的形状可以选择为圆形、矩形或椭圆形，而尺寸则需要根据具体应用来确定。

第三，要进行合理的电极设计。

电极是将电能传递到压电陶瓷材料上的介质，其设计直接影响到换能器的能量转换效率和工作稳定性。

电极的形状和布局需要考虑到换能器的振动模式和机械耦合效应，以提高能量转换效率和减小机械耦合损失。

要进行适当的声阻抗匹配设计。

声阻抗匹配是指在超声波的传播过程中，通过设计合适的介质层和背腔结构，使得超声波能够更好地从换能器传递到工作介质中。

声阻抗匹配的设计需要综合考虑换能器的工作频率、介质的声阻抗以及背腔结构的影响，以提高超声波的传播效率。

超声波换能器的发射压块设计方案需要考虑压电陶瓷材料的选择、压块形状和尺寸的确定、电极设计以及声阻抗匹配等因素。

通过合理的设计，可以提高超声波换能器的性能，并使其在医疗、工业和军事等领域发挥更大的作用。

高频超声腔内换能器的设计和性能验证从医学影像检查到工业无损检测，超声技术的应用越来越广泛，而高频超声腔内换能器的设计和性能验证是其中至关重要的一环。

本文将重点介绍高频超声腔内换能器的设计原理、构造、性能验证方法以及相关技术进展。

一、高频超声腔内换能器的设计原理高频超声腔内换能器是一种将电能转化为声能的装置，其设计基于压电效应。

当施加电压时，压电晶体会发生尺寸变化，产生声波。

而高频超声腔内换能器主要由压电片、振动片和保护层等组成。

压电片是最核心的部分，负责将电能转化为声能的过程。

振动片则负责放大和辐射声波，并通过保护层保护换能器的结构。

在设计高频超声腔内换能器时，需要考虑的因素包括换能器的工作频率、工作模式、材料选择和结构设计等。

工作频率主要根据应用需求确定，常见的高频超声腔内换能器工作频率在1-100 MHz范围内。

工作模式可以分为共振型和非共振型，共振型换能器具有较高的能量转换效率，而非共振型换能器则更加灵活适用于不同的应用场景。

材料选择主要考虑压电材料的性能，如压电系数、介电常数等。

结构设计关乎换能器的灵敏度、输出功率等性能。

二、高频超声腔内换能器的构造高频超声腔内换能器的构造多种多样，不同的设计可以满足不同的应用需求。

例如，线性阵列换能器适用于高分辨率成像，其由多个换能器组成，可以实现多普勒成像和三维成像等功能。

而扇形阵列换能器则适用于心脏和血管检查，其特点是成像范围广，适用于大面积扫描。

除此之外，还有环形阵列换能器、单晶换能器等多种构造形式可供选择。

在构造设计中，需要考虑的因素包括换能器尺寸、通道数、接口类型等。

换能器的尺寸通常要满足对目标物体进行精确成像的要求，同时也需要考虑可植入性等因素。

通道数多少直接影响了换能器的成像质量，通常通道数越多，成像质量越高。

接口类型则根据设备的连接要求来确定。

三、高频超声腔内换能器的性能验证为了保证高频超声腔内换能器的性能和可靠性，需要进行一系列的性能验证实验。

电磁超声换能器的研究与设计摘要：电磁超声换能器(EMAT)是一种基于电磁超声转换技术的新型电声转换器。

同时，它也是一款集超声波发射、接收装置于一体的非接触型换能器。

因为电磁超声波无损技术在进行作业的时候是不需要有介质耦合的，也无需对试件进行准备处理等诸多优点，故其检测时的温度可以高达1000℃，对一般的被探测的工件表面也无需经过特殊处理，可以直接进行无损处理，因此电磁超声换能器广泛的应用在超声无损检测技术领域中。

本研究主要是对电磁超声换能器的工作原理进行研究以及在现有的电磁超声换能器的基础上对其进行优化设计。

结合国内外发表的文献为研究基础，对电磁超声换能器的研究现状进行调查分析，总结电磁超声换能器各参数对其转换效率的影响，针对现有研究中的不足对其进行优化设计。

关键词：毕电磁超声换能器；超声无损检测；调查分析；优化设计一、绪论1.1研究研究背景传统的超声波产生方式主要是通过压电换能器实现的，虽然它的结构设计起来比较简单，换能的效率也比较高，但是在使用的时候经常需要耦合剂作为耦合介质，而且有的时候还需要对试件进行事先的准备处理工作，而且在温度测量技术上存在诸多限制。

随着国内点次声波换能技术的不断进步，为国内超声波无损检测技术的发展指明了道路，人们将利用电磁超声转换技术来弥补传统换能技术中的不足之处。

所说的电磁超声指的是通过洛伦兹力理论和磁力伸缩原理，来达成不用接触就能被激发的新型技术，相对于传统的压电超声换能器其具备以下优点：1）可以轻易的通过改变电磁场的方向和大小，来产生不同需要的各种超声波，例如兰姆波和表面波。

在对待测物体进行测量的时候通过磁电转换产生兰姆波，其产生的兰姆波是通过线扫描的方式对待测物进行大范围的快速高效率的检测，相比较传统的逐点体波扫描方式要方便很多，为测试节省了很多的时间，大大的提高了检测工作的效率，在板材无损检测方面应用特别广泛。

2）可以实现在不需要接触待测物体的前提下对待测物体进行测量，有效的避免了在待测物不方便进行预先处理的问题，也解决了在使用耦合剂时对测量精度存在影响的问题。

标题：探究新型超声换能器的设计原理与应用一、引言在当今科技飞速发展的时代，超声技术已成为医疗、冶金、化工等领域不可或缺的重要技术手段。

在超声技术中，超声换能器作为核心部件，其设计原理和应用显得尤为重要。

本文将深入探讨新型超声换能器的设计原理与应用，帮助读者对这一领域有更深入的理解。

二、超声技术概述超声技术是利用超声波在物质中传播、反射、吸收及散射的特性，通过对超声波信号进行处理和应用，来实现对物质的检测、成像、加工等技术。

超声波频率一般为20kHz至100MHz，根据频率不同可分为低频超声和高频超声。

超声波在直接作用于物质时，具有声压较大、功率密度较大、能量传递效率高等特点，因而在材料处理、医学影像、药物输送等领域有着广泛的应用。

三、超声换能器的基本原理超声换能器是将电能转换成超声波能的装置，也可以将超声波能转换成电能。

超声波是以特定频率振荡的声波，因此超声换能器必须具备振荡频率稳定、能量转换效率高、抗干扰能力强等特点。

根据工作原理和应用场景不同，超声换能器可分为压电式超声换能器、磁致伸缩式超声换能器、共振式超声换能器等类型。

四、新型超声换能器的设计原理1. 压电式超声换能器压电式超声换能器利用压电效应，将电能转换成超声波能或反之。

其结构包括压电陶瓷、振动系统和负载匹配层等组成。

当外加电场时，压电陶瓷发生形变，产生超声波。

在设计时，需要考虑陶瓷的选择、振动系统的设计、频率和阻抗匹配等问题。

2. 磁致伸缩式超声换能器磁致伸缩式超声换能器利用磁致伸缩效应，将电能转换成超声波能或反之。

其关键部件包括磁致伸缩材料、线圈、振动系统等。

在设计时，需要考虑磁致伸缩材料的选择、线圈的匹配、振动系统的优化等问题。

3. 共振式超声换能器共振式超声换能器利用共振效应，将电能转换成超声波能或反之。

其设计需要考虑器件的共振频率、匹配层的设计、共振系统的优化等问题。

共振式超声换能器在精密加工、材料处理等领域有重要应用。

五、新型超声换能器的应用展望新型超声换能器在医疗、材料、清洁能源等领域有着广阔的应用前景。

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。

超声换能器设计方案
超声换能器是一种将电能转化为声能的装置。

它是超声波传感器中的核心部件，常用于医疗、工业和民用领域。

超声换能器设计方案应充分考虑以下几个方面：
1.材料选择：超声换能器需要使用具有良好声波传导性能的材料，常用的材料有铅锆酸钛陶瓷、PZT陶瓷等。

选择合适的材料可以提高声能的转化效率。

2.结构设计：超声换能器通常由活塞、震荡平台和壳体组成。

活塞是将电能转化为声能的关键部件，应设计成能够有效振动的形状，并与震荡平台紧密连接，以提高振动的传导效率。

壳体应具备良好的密封性能和机械强度，以保护内部组件不受外界环境的影响。

3.电路设计：超声换能器需要与外部电源相连，电路设计应考虑电源适配、信号放大以及保护等方面。

合理设计电路可以提高超声换能器的工作效率和稳定性。

4.尺寸和频率选择：超声换能器的尺寸和频率选择应根据具体应用需求来确定。

如果需要通过物体进行穿透检测，通常选择低频超声换能器，尺寸较大。

而在医疗领域，常选择高频超声换能器，尺寸较小。

5.测试和验证：设计完成后，需要进行测试和验证。

测试可以通过测量声能的输出量来评估超声换能器的性能。

验证可以通
过实际应用场景中的测试来验证超声换能器的可靠性和稳定性。

总之，超声换能器设计方案需要综合考虑材料选择、结构设计、电路设计、尺寸和频率选择等多个方面。

通过合理的设计，可以提高超声换能器的性能和可靠性，满足具体应用需求。

自聚焦PVDF超声换能器制作与研究针对目前常用的压电陶瓷换能器加工难度大、制作周期长、成本高等问题，文章设计制作了一种基于PVDF压电薄膜的自聚焦超声换能器，充分利用PVDF 薄膜成本低、易加工、耐腐蚀等优点。

文章进行的声场测试表明，制得的自聚焦PVDF超声换能器尺寸达到了7mm，中心频率为5MHz，纵向分辨率为0.38mm，横向分辨率为1mm，和模拟值相符。

相比于常用的压电陶瓷换能器，文章极大程度上降低了制作成本，并有改造成内窥用超声换能器的潜力。

标签：光声成像；超声换能器；PVDF；自聚焦1 概述光声成像技术是一种新型的无损成像技术，结合了普通光学成像和超声成像的优点，具有穿透深度大、成像分辨率高、安全无损等众多优点，在血管生物学[1]、肿瘤学[2]等方面已经得到了广泛的应用。

光声成像技术的主要原理是目标物体接受短脉冲激光照射迅速吸收激光照射产生的能量，之后产生热能而振动对外发出超声信号，光声成像的结果实际反映的是目标物体各位置的光吸收系数，光声成像技术所产生的超声信号可以用超声换能器来接收。

压电原理是超声换能器设计制作中常用的原理，压电原理指的对某种材料施加电场会引起材料本身的形变，而材料本身如果发生形变又会使材料产生电场，这种材料就叫做压电材料。

PVDF压电薄膜是压电换能器制作中常用的压电材料，已经被广泛应用在生物医学检测中，虽然PVDF压电薄膜的中心频率通常不如另外一种常用的压电材料-压电陶瓷，但PVDF压电薄膜的加工难度与加工成本远低于压电陶瓷，其本身易弯曲的特性也使它能适用于多种形状的压电换能器，而且其本身的声阻抗值和人体组织更加匹配，所以本文选择适用PVDF压电薄膜来作为压电材料。

聚焦超声换能器又是超声换能器的一大重要分支，实现聚焦的方式主要有主动式聚焦、被动式聚焦和相控阵聚焦。

主动式聚焦是指通过改变换能器本身形状来实现聚焦，一般是将换能器的压电单元制成球面或柱面；被动式聚焦主要实现方式是使用一些辅助手段聚集超声能量来实现聚焦，目前国内外的主要手段是在换能器前部添加一个声透镜；相控阵聚焦是指通过电子控制排列超声换能器阵列来实现聚焦，它可以调节换能器的焦距、焦斑大小等。

超声波换能器超声波换能器，是一种将电能转换为超声波能量的设备。

它广泛应用于医学、工业、军事和科学研究等领域，具有非常重要的作用。

本文将从超声波换能器的工作原理、应用领域以及发展趋势等方面进行探讨。

一、超声波换能器的工作原理超声波换能器是由压电陶瓷材料和金属材料组成的复合材料制成的。

当施加电场或机械应力时，压电材料会发生形变，并将电能转换为机械能；反之，施加机械应力时，压电材料会发生电场变化，将机械能转换为电能。

超声波换能器利用压电效应的双重转换特性，将电能转换为机械能，再由机械能转换为超声波能量。

二、超声波换能器的应用领域1. 医学领域：超声波换能器是超声医学成像的核心部件之一。

它可以发送超声波信号并接收回波信号，实现对人体组织的成像。

同时，它还可以用于超声诊断和超声治疗等领域。

2. 工业领域：超声波换能器被广泛应用于工业的检测与测量领域。

例如，利用超声波换能器可以检测材料的厚度、密度和缺陷等信息。

此外，它还可以应用于超声焊接、超声清洗和超声切割等工艺中。

3. 军事领域：超声波换能器在军事领域有着重要的应用。

例如，在水下声呐系统中，超声波换能器可以将电能转换为水下的声波信号，实现潜艇的探测和定位。

4. 科学研究领域：超声波换能器在科学研究领域的应用非常广泛。

例如，它可以用于实验室的材料分析、流体力学研究和声学研究等领域。

三、超声波换能器的发展趋势1. 小型化：随着科技的不断进步，超声波换能器正向着小型化的方向发展。

体积小、重量轻的超声波换能器可以更为方便地集成到各种设备中，提高其应用的灵活性和便捷性。

2. 多功能化：超声波换能器的功能越来越多样化。

除了传统的超声成像和检测功能外，目前还发展出了超声药物输送、超声治疗和超声定向传输等新功能。

这些新功能的出现，不仅可以提高医学诊疗效果，还有助于拓展其他领域的应用。

3. 高频化：随着超声波换能器技术的发展，高频超声波换能器正逐渐取代传统低频超声波换能器。