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一、超聲波換能器的基本原理

超聲波換能器，運(yùn)用兩者之間諧振頻率同樣的壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。一般一般由超聲波發(fā)生器形成超聲波，經(jīng)超聲波換能器把它轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動(dòng)，再經(jīng)過(guò)超聲波導(dǎo)出來(lái)設(shè)備、超聲波接收裝置便能形成超聲波。因此，做為一種能量轉(zhuǎn)換器件，超聲波換能器的作用是把輸入電功率轉(zhuǎn)化成機(jī)械功率（即超聲波）再傳送出來(lái)，并且本身則耗費(fèi)非常少中的一部分功率。

超聲波換能器的構(gòu)造主要有機(jī)殼、聲窗、壓電陶瓷圓盤(pán)換能器、背襯、引出來(lái)電纜、接收器等幾絕大多數(shù)構(gòu)成。在其中，壓電陶瓷片圓盤(pán)換能器具備大部分換能器同樣的功效，主要運(yùn)用于發(fā)射并接受超聲波；超聲波接收器在壓電陶瓷片圓盤(pán)換能器的上邊，主要是由引出來(lái)電纜、換能器、金屬圓環(huán)和橡膠墊圈構(gòu)成，接受壓電陶瓷片圓盤(pán)換能器頻帶外所產(chǎn)生的多普勒回?fù)苄盘?hào)。

換能器是一種將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的電子設(shè)備。將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過(guò)程稱(chēng)為轉(zhuǎn)導(dǎo)。

超聲波換能器將電源的電輸出轉(zhuǎn)換為振動(dòng)輸出。這種機(jī)電轉(zhuǎn)換可以通過(guò)壓電陶瓷（如下圖）或磁致伸縮材料來(lái)完成。壓電陶瓷是換能器的核心。

傳感器要求將取決于應(yīng)用。許多要求會(huì)相互沖突，并會(huì)被賦予不同的優(yōu)先級(jí)。因此，沒(méi)有一套指導(dǎo)方針可以涵蓋所有要求，有許多不同的方法可以實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)。

從分析上講，只能以一般方式預(yù)測(cè)換能器性能。這是因?yàn)閴弘娞沾傻奶匦酝ǔ８叨纫蕾?lài)于工作條件，包括溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、靜態(tài)壓縮預(yù)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)應(yīng)力、負(fù)載循環(huán)次數(shù)和時(shí)間。這些操作條件可以相互影響，并且這些條件的影響通常是非線性的。此外，壓電陶瓷的許多特性是正交各向異性的，并且可以在單個(gè)壓電陶瓷之間以及在壓電陶瓷批次之間變化。此外，在各種部件界面處（例如，在螺紋處）的相互作用可能難以表征并且用于空氣冷卻的對(duì)流傳熱系數(shù)只能近似地估計(jì)。因此，大部分設(shè)計(jì)過(guò)程都涉及實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

超聲波換能器工作原理

超聲波換能器按功能可分為發(fā)射器、接收器和收發(fā)器，如圖1所示。 以換能器工作在40 kHz為例，發(fā)射器的諧振頻率（fr）設(shè)計(jì)在接近工作頻率的頻率應(yīng)用的電信號(hào)，如圖2所示，以?xún)?yōu)化發(fā)射效率。相反，將接收器的反諧振頻率（fa）設(shè)計(jì)為接近接收的超聲波頻率，如圖3所示，以?xún)?yōu)化接收效率。收發(fā)器的工作頻率設(shè)計(jì)在收發(fā)器的諧振頻率(fr)和反諧振頻率(fa)之間，如圖4所示。換能器的工作頻率越高，分辨率越好，但時(shí)間越短探測(cè)范圍。

為了使產(chǎn)生的超聲波有效地從壓電陶瓷傳輸?shù)轿矬w或流體（例如，在空氣或水中），壓電陶瓷與物體或流體之間的聲阻抗必須通過(guò)聲匹配層進(jìn)行匹配。常見(jiàn)物質(zhì)的聲速和聲阻抗特性如下

以超聲波空氣換能器為例，壓電陶瓷的聲阻抗約為 35 MRayl (106 kg/m2s)，而空氣的聲阻抗低至 414 Rayl (kg/m2s) 左右。因此，聲匹配層成為超聲換能器的必要組成部分，置于壓電陶瓷與空氣之間，使兩者的聲阻抗相匹配，使超聲能量有效傳輸?shù)娇諝庵小?/p>

超聲波空氣換能器匹配層的理想聲阻抗值為 Rayl，約為 0.122 MRayl，但很難找到聲阻抗低于 1 MRayl 且具有耐用性的材料。目前，常用的聲匹配層材料是一種由聚合物基體和中空粉末制成的復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)較低的聲阻抗和合理的可靠性。根據(jù)應(yīng)用，超聲波換能器可用于一發(fā)一收模式或一發(fā)一收模式。應(yīng)該注意的是，超聲換能器固有地具有振鈴特性。人們?cè)谠O(shè)計(jì)用于接近測(cè)量的超聲波換能器時(shí)，振鈴限制了最小檢測(cè)距離。一般采用阻尼層，讓超聲波換能器快速恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，以減少振鈴。

超聲波換能器的結(jié)構(gòu)

該超聲壓電換能器包括外殼：匹配層或聲窗、壓電陶瓷、背襯和出線電纜，包括鈸陣列接收器，由引出線、8-16個(gè)鈸換能器、金屬環(huán)和橡膠墊圈組成；鈸陣列接收器位于碟片壓電換能器3上方；以壓電陶瓷圓盤(pán)換能器作為基本的超聲波壓電換能器，發(fā)射和接收超聲波信號(hào)；Cymbal陣列接收器位于盤(pán)片壓電換能器上，作為超聲波接收器，用于接收盤(pán)片換能器頻帶外的多普勒回波信號(hào)。適用于超聲波設(shè)備。

二、超聲波換能器的應(yīng)用

超聲波換能器具備非常廣泛應(yīng)用，按應(yīng)用的行業(yè)分類(lèi)，可以分為工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、道路運(yùn)輸、醫(yī)療設(shè)備及國(guó)防軍事等；按完成的作用區(qū)劃，可以分為超聲波加工、超聲波清洗、超聲波探測(cè)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、遙測(cè)、遙控等；按工作場(chǎng)地區(qū)劃，可以分為液體、氣體、生物體等；按特性區(qū)劃，可以分為功率超聲波、檢測(cè)超聲波、超聲波顯像等。