超声焊接换能器：超声清洗换能器：
大功率换能器：洁牙换能器：
聚能式换能器磁致伸缩换能器
压电换能器倒喇叭形换能器
塑料熔接换能器柱形超声换能器
压电陶瓷换能器平面活塞换能器
历史与发展
超声学的一些研究早在十九世纪下半叶就开始了，但全纯属学术上的探讨、建议将超声应用到实践中去的首次记载出现在1912年，当时、由于Titanic号的遇险，L.F.Rrichardson提出可用声速来探测海中的障碍物，1914—1918年间，为了探寻潜水艇的特殊目的，这个概念再次被考虑，但是所研制的仪器在那次战争中并未使用。随着这项工作的进一步开展，出现了有效的船用设备，并导致超声探测装置的研制，在当时的若干年中这一直是超声在实验室外的应用。
二十世纪二十年代中，Boyle和他的同事们以及Wood和Loomis的工作中用的是石英晶体发生器，后来Pierce、Chambers和Gaines的工作中使用了磁致伸缩发生器。他们建立了产生高声功率的技术，并开始测量了一些有关特性。他们也证明了许多能够产生的惊人效应，但这些效应主要只不过是作为实验室表演中的新奇东西而已，以后其他工作者重复了并大大地发展了他们的结果，然而超声技术真正的实际应用却很少，另一种广泛使用的仪器是超声探伤仪，这是在1939年到1945年间在美国和英国独立地研制出来的。
压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料的提供为前提条件的，1880年Curie兄弟已发现了压电效应，但直到电子管放大器的应用，压电效应才能用于电声转换工程上，直到第一次世界大战期间，法国物理学家Langevin研制成功了第一个实用的压电换能器后，使得压电效应得到了实际的应用，Langevin是应法国政府的要求研制一种探测潜艇的装置，在试验了几种装置以后，发现压电石英换能器能达到这个目的，虽然直到第一次世界大战结束，他并没有是他的装置搞得很完善，但后来这种装置被广泛的用作超声探测仪，直到今天，这种类型的换能器仍得到了应用，并且由于压电换能器作为高频声源的出现，使得高频声的研究才成现实。在第二次世界大战前，压电陶瓷这个词即使对物理学家也是陌生的，但在50年代后期，发现了铁电陶瓷的电致伸缩效应，但它们的成分和性能能够得到有效的控制和重复生产，并解决了极化工艺以后，压电陶瓷就成为了另一种换能材料——磁致伸缩材料的有力的竞争者，并逐渐处于统治地位。60年代中期研制成功的预应力螺杆复合棒压电陶瓷换能器，以较小的重量和体积而获得大的声能密度，广泛地用于超声和水声的发射器，目前，从用于大型声呐中的低频大功率换能器，到用于声全息和超声医疗的微小而十分精密的换能器，多以压电陶瓷作换能材料。压电陶瓷换能器已成为产生和接收声的最有效的手段了，在压电陶瓷发展的同时，由于单晶生长工艺的不断改进，出现了一些性能优良的单晶压电材料，压电高聚物和压电复合材料等新的压电材料也在不断出现，它们为声学技术提供了极重要的手段。
主要应用及其原理
A：探测与通讯系统
1 回声测量
利用声速在海中进行可直接观测范围以外的探测
在海中向下发射具有方向性的声脉冲，通常是使用高频率的猝发能量，要探测很远的距离时，可利用爆炸产生的单个矩形脉冲提供更强的信号，到达海底的一部分能量被反射回来，用一个接收换能器加上放大器和指示器，就可以检收返回的信号，发射到接收的时间间隔与脉冲走过的距离成正比，这是指示出海的深度。
有些老式的设备用的是石英换能器，钛酸钡换能器目前也在使用，但回声探测最常用的是镍制磁致伸缩换能器
2 探伤
超声波可以穿透一些电磁波所不能穿透的物质，同时有仍能在两种物质的交界面上反射。由于金属部件内部的不均匀性会大大减小它的强度，确定是否有缺陷存在显然是很重要的，在制造过程中，检查进行的越早，经济效应就越大。
为了能够发射脉冲序列和区别在不同时间接收到的信号，使缺陷反射的回声不致为其他表面的回声所掩盖，需要有更加精巧的电路布置，这使得探伤仪的价格大大提高，发射和接收可以分开使用两个换能器，也可以合用一个换能器，接收到的信号通常用阴极射线管显示。
由于需要很高的频率，超声探伤仪向来这要是使用石英晶体换能器。
3 测厚
反射型探伤仪可以用来测量厚度，方法是测出对面反射回声的到达时间，这种方法可以用在当物体只有一面可以接触的情况，也可以用来检测大容器器壁被腐蚀的情况，这样得出的读数通常不是很准确的，因为需要测量时间而脉冲没有很尖锐的边缘，这种方法更严重的缺点还在于，当距离短到使回声不能与发射脉冲充分分离时，它根本就无法测量，
因此，创制了一种仪器，它是根据试验品的共振频率来确定厚度的，当厚度等于半波长时发生基频共振，当谐频为基频的整数倍。这种技术的基本原理如下：把换能器与试验样品接触，以不同频率激发试验品；当达到共振的时候，它的振幅加大，消耗了更多的能量，这些能量必须由策动器的电路供应，因而改变了电路的情况。
4 超声延迟线
把电信号转变为声信号的最常用的方法是用石英晶体或钛酸钡换能器与液体或固体耦合，对于绝大多数的实际系统，声信号走过所需要的声程之后，又用类似的换能器把它转变为电信号。后面一步工作也可以利用德拜—西尔斯效应或阿伦堡描述的光弹性效应。这样，可以应用光拾声元件而不会干扰超声速，但他们的使用限于透明的介质。而且由于光学系统需要精密的调节，设计一个体积不大而又结实的装置是相当困难的。但值得指出，在家庭使用的斯可风电视接收机中应用了类似的装置。
5 固体弹性的测量
用超声测量固体弹性的方法大致上分为两类：一类是使脉冲波在物质中传播。直接记下传播时间，求出传播速度，另一类是是样品发生共振，由共振频率间接求出弹性波的传播速度。弹性波的速度与物质的动力弹性常数存在着一定的
关系，这个关系依赖于实验条件。
用一个用样品耦合的换能器供给重复的超声脉冲，脉冲穿过样品后用接收器接收，接收和发射的脉冲都显示在阴极射线管的荧光屏上，两者的时间间隔给出传播速度，它们的幅值比给出内摩擦和散射的量度，用标准频率调制阴极射线示波器的电子踪迹，可以量出时间间隔。
B：机械上的应用
1 除烟
Kundt关于声波对细粉末作用的经典实验是强声波在气体中的效应的最早发现之一，Konig用较大的功率继续进行了类似的工作。后来，Brandt和Freund、Hiedemann、Andrade和Parker对烟灰在超声场中的凝聚作了定量的研究。在最近八年或十年当中，制成了大功率发生器，使这种效应已有应用到工业中去的可能。
2 加工
今年发展起来的一种大有希望的超声应用是用它对很硬的材料加工。
C：其他应用
1 对液体进行空化、乳化、清洗和扩散
2 用于聚合物、冶金、锡焊
3 用于对生物的治疗
压电超声换能器最新发展：
压电超声换能器当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。
大功率换能器
在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域, 铌镁酸铅(PMN ) 陶瓷是有发展前途的材料。PMN 的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变, 迟滞小。但电致伸缩效应是非线性的, 相应的物理常数取决于温度和频率, 且需直流偏压, 这就需要研究如何处理这些问题。在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器, 在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。阶梯换能器为在液体中高效地产生高强度的超声辐射提供了一种优化系统。西班牙J1A 1Gallego2Jurez 等人开发了新型阶梯板状换能器, 它具有高的功率容量、效率和指向性。该换能器用五个圆形阶梯型换能器组成的阵列, 覆盖的照射面积大约1164 m ×1164 m , 组成阵列换能器的每个单元的特性: 照射板的直径á 48 cm; 谐振频率为21 kHz; 指向性(3 dB 波束宽度) 115°; 功率容量为500W; 效率75% [ 5 ]。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。
低压驱动换能器
许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。锆钛酸铅(PZT ) 是广泛应用的电声转化材料。在20 kHz 时, PZT 在400 kV ?m 的电场中, 在共振条件下产生的振幅要达到微米级,需2 000 V 的电压, 5 mm 厚的压电陶瓷环。在某些情况下(航空航天, 便携式装置) , 使用高压是一种缺陷。此时, 大振幅的超声频率必须用低压驱动。减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时, 极间距越小, 所需电压也越小。多层压电陶瓷的薄层厚度
30～200 Lm, 电极的间距等于陶瓷层厚。所以, 要用相同尺寸的装置得到同样的位移, 多层压电陶瓷的电压就远远小于单层的。法国B1Dubus 等人对多层PZT 郎之万换能器的谐振子进行了实验研究。在低电压下得到了大的振幅(10 V , 5 Lm)。发现当换能器连续工作时, 去极化是个严重问题。可通过对陶瓷片的界面抛光和对换能器加直流偏压解决。他们用的郎之万换能器, 多层压电陶瓷由20 层陶瓷片组成, 每层厚100 Lm ,每端加了绝缘陶瓷。换能器的总高度为38 mm , 纵向振动频率约13 kHz。响应的耦合系数等于0122。多层压电陶瓷的界面多, 损失大, 发热严重。为了减小损失和防止去极化, 装配前对各层结合面进行了抛光, (粗糙度R a= 0104 Lm, 平面度015 mm , 平行度1 Lm)。此外, 叠片只是靠机预应力保持紧密贴合, 而没做任何粘接。
高频换能器
频率大于15～20MHz 的B 超在医疗上的应用已有十几年了, 高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展, 如换能器(压电材料、灵敏度和聚焦性) , 信号的快速电路和数字化等。目前利用钛酸铅(PbT iO3 ) 的厚度伸缩振动的三次谐波模式, 已经制成高达l00MHz 以上的高频压电陶瓷振子。振子厚度只有70 Lm, 能与高频石英晶体振子相比, 而最高的超声振子的频率可达 1 000MHz。如用波长表示超声波段的范围, 在液体、固体中最短的超声波长为微米量级, 可以和可见光波的波长相比。高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。随着电子技术的发展, 需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约10 亿只, 而国内仅有极少数几家生产13MHz 以下器件, 产量约3 亿只, 供需矛盾突出, 尤其是13MHz 以上的器件基本上依靠进口,市场缺口非常大。随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进, 谐振频率及特性的不断提高, 它将越来越广泛地取代石英晶体器件, 其应用量将以每年5%～10% 的速度递增。所以研制高频压电陶瓷谐振器产品, 具有极大的推广应用前景, 有良好的市场空间。
压电薄膜换能器
随着沉积技术、微细加工技术的发展, 压电薄膜制备技术日趋成熟, 它带来了许多优点, 即
(1) 便于换能器微型化;
(2) 提高了换能器的频率、带宽和分辨率;
(3) 便于组成各种聚焦换能器和换能器阵;
(4) 运用M EM S技术可很方便地将换能器与驱动、控制电路集成在一起。
超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。因此, 提高超声图像的分辨率已成为超声成像技术研究的方向之一。最近, 一系列频率范围为20～100MHz 的超声换能器问世。压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应, 用于超声成像可获得高分辨率的图像。用压电薄膜制作的球形聚焦换能器国外已有报道, 频率范围在50～100MHz,国内现主要是将压电薄膜用于水听器。刘晓宙等人采用PVDF 压电薄膜材料, 设计和制作了PVDF 高频超声聚焦换能器, 获得了满意的结果。
换能器的微型化
装置的微型化离不开动力元件的微型化, 在动力微元件中, 压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。压电超声换能器是压电微马达的核心部件。微型压电超声马达的研究起始于美国,1992 年麻省理工学院的A ntia1M 1F
lynn 等人研制出转子直径为á 115 mm 的薄膜式微型压电超声马达。随后, 日本Takesh iMorita 等成功地研制了PZT压电薄膜圆柱微型超声马达, 马达定子换能器的外径á 114mm , 内径á 112mm , 长度5mm。在该研究中, 开发了“改良的成核工艺”, 成功地改善了沉积PZT 薄膜的性能。PZT 薄膜的厚度为12 Lm, d 33=- 25 pC?N 。定子换能器的共振频率为227 kHz, 在410 V 的驱动电压下振幅58 nm。转子靠摩擦力驱动并可反转。最大转速为680 r?m in, 最大转矩0167LNm 。2001 年, 我国清华大学的周铁英教授研制成功了世界上最细的超声马达, 直径只有á 1 mm ,目前他们正积极开展直径á 015 mm 超微马达的研制。但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻, 目前仍处于实验研究阶段, 离工业化还有一段距离。
换能器的集成化
集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。超声马达通常在高于常备电池的交流电压下工作, 这就需升压的变压器。美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。超声马达的定子和压电换能器在相同的径向振动模式下工作。它们的尺寸非常接近, 可产生密切匹配的共振频率。因此, 它们不用感应线圈而能耦合到一起。用压电陶瓷制作的超声马达, 需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成。而电磁变压器体积大, 并产生电磁噪声,而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。除上面所列的方向外, 近年来微细加工的容性超声换能器(cMU T s) 已成为研究的热点。
基本原理：
换能器
换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。通常所说的换能器一般都是指的电声换能器，凡能实现电能和声能间相互转换的换能器成为电声换能器，用来发射声波的换能器叫发射器，换能器在发射状态时，将电能转换为机械能，再转换成声能，用来接收的换能器叫接收器，换能器处于接收状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能，一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统，当换能器用作发射时，从发射机的输出级送来的电震荡信号引起电储能元件中的电场或磁场的变化，这种变化借助于某种物理效应对换能器机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态。从而推动与机械振动系统相接触的介质振动，向介质中辐射声波。接收的过程正好相反，这是介质声场作用在换能器的振动面上，是机械振动系统发生振动时，借助于某种物理效应，引起电储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而是换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压或电流。按照实现机电转换的物理效应的不同，将换能器分为：电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电致伸缩式等。极化了的电致伸缩换能器，从换能原理和处理方法上可以看成压电换能器，一般也把它称作压电换能器。
压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的
极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
正压电效应
当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
逆压电效应
逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
压电材料：压电晶体、压电高分子、压电陶瓷
压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。
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。电路工作电压9V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。电路不需调试即可工作。 40kHZ超声波发射电路(3) 40kHZ超声波发射电路之三，由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。电路的振荡频率决定于
超声波换能器选用说明及其原理介绍 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，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小于10%）。所以，使用超声波换能器最应考虑的问题就是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。市面上超声波机械种类繁多，客户必须提供准确可靠的指标，才能保证公司提供的换能器产品能与贵公司的机器良好匹配，发挥最佳性能。 因换能器品种繁多，本文只提供了部分换能器参数。 ①谐振频率：f, 单位：KHz 该频率是指用频率发生器，毫伏表等通过传输线路法测得的频率，或用阻抗特性分析仪等类似仪器测得的频率。一般通称小信号频率。与它相对的是上机频率，即客户将换能器通过电缆连到驱动电源上，通电后空载或有载时测得的实际工作频率。因客户的匹配电路各不相同，同样的换能器配不同的驱动电源表现出来的频率是不同的，这样的频率不能作为订货依据。 ②换能器电容量：CT ，单位：PF 即换能器自由电容，一般可用电容电桥在400Hz-1000Hz的频率下测得，也可用阻抗特性分析仪类似仪器。再简单点，用一般的便携式电容表测量也可满足要求。 ③换能器工作方式 因加工方式和要求不同，换能器的工作方式大致可分为连续工作（花边机，CD套机，拉链机，金属焊接等）和脉冲式工作（如塑焊机），
不同的工作方式对换能器的要求是不同的。一般而言，连续式工作几乎没有停顿时间，但工作电流不是很大，脉冲工作是间歇式的，有停顿，但瞬间电流很大。平均而言，两种状态的功率都很大的。
④换能器型式和最大功率 整机厂家可能对于不同用途和目的的机器的标称功率有不同的规定，换句话说，同样的换能器用在不同的机器上标称功率可能是不同的。为避免产生岐义，客户应详细说明换能器的结构型式，如柱型、倒喇叭型等，及压电陶瓷晶片的直径和片数。 ⑤安装和配合尺寸 主要有变幅杆材质，表面处理方式，形状。换能器与变幅杆连接螺纹，变幅杆与模具连接螺纹，变幅杆法兰盘处直径、厚度、缺口或螺孔数量和位置。 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！
超声波发生器的整体电路基本由三部分组成，信号发生部分，功率放大部分，换能器和换能器的的匹配电路组成。信号发生电路可由RC 振荡电路、555 定时器构成的多谐波振荡器分别产生正弦波和矩形波两种，并且依据不同的原理可以实现变频。功率放大部分，由选定的功率放大器或模块实现功率放大，用来达到驱动功率放大器的功率。换能器是用来实现能量转化的，在两种电路中的用法和作用完全相同，都是在匹配电路的作用下实现能量转化的最大化。 5.1 变频RC 振荡整体电路的简述。 变频RC振荡整体电路由三部分部分组成，第一部分是变频RC振荡电路的发生部分，振变频RC振荡电路是用来产生一定频率和一定幅值正弦波的电路，它不需要外接输入信号，输出端就有信号输出。它的基本构思是在放大电路中人为地介入正反馈电路来产生稳定的振荡。根据选择电阻的不同来控制不同的频率，它的基本组成是RC振荡电路，运算放大器等组成 第二部分是功率放大部分。信号发生电路中输出的信号功率较小，不足以带动换能器工作，在逐级信号传递过程中，信号功率因太小，易失真和掺入杂波，加上功率放大电路，以满足小功率信号传递的需要。为输出足够大的功率，功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大。功率放大电路工作在大信号工作状态，从能量转换的观点来看，功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下，将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。 第三部分为换能器和换能器的匹配电路，换能器是超声波发生器的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。超声波换能器就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，匹配电路的作用是保证电信号能高效而安全地传输给换能器。 由三部分组成的变频RC 振荡整体电路如下
时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用； 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。中国超声波论坛 二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则 PO='=1500W。则变压器初级的Ω
综 述 超声换能器特性回望 李 衍 (江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡 214187) 摘 要:回望并介绍了超声换能器影响检测灵敏度和分辨力的若干重要物理特性,有助于换能器的更新换代和缺陷定量定性技术的完善与提高,也有助于T OFD 、相控阵、SH 横波和导波等UT 新技术的推广应用。 关键词:超声换能器;物理特性;超声检测 中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2006)02-01-05 1 压电换能器 换能器是将一种形式的能量转换成另一种能量的器具。超声换能器能将电能转变成机械能(声能),也能将机械能(声能)转变成电能。现代探伤有几种方法可产生和检出超声脉冲,最常用的是利用某些材料的压电效应。其它还有电磁声换能器(EM AT )和激光技术。 1880年居里兄弟发现:从某些晶体材料按特定方向切割下来的薄片,当受机械力作用产生变形时,会在薄片两面产生电压,他们称此现象为“压电”。翌年,李普曼又发现了相反的现象:加在薄片两面的电压也会使薄片产生机械变形(即逆压电效应)。石英(SiO 2 )是压电材料的典型,四水酒石酸钾钠(罗谢尔盐)和电石晶体也显示相同效应。 在超声探伤最初30年间,从1929年直到19世纪50年代末,石英一直是最常用的换能器材料。所 需薄片是从石英单晶体上切割下来的。随后,又开发了新的多晶材料。这种材料电阻抗较低(耐高频),超声特性较优,效率比石英高60%～70%。做换能器前,多晶材料须经极化处理。极化时,各晶体按同向排列整齐,以使其综合效应相干;极化方法:将多晶薄片置于油浴槽中加热到接近临界温度即居里温度,并在薄片两侧施加强静电场,然后使之降温缓冷(图1)。 超声探伤常用的压电材料,其居里温度各不相同,故油浴槽温度需根据所使用的压电材料加热到适当 温度。如:钛酸钡(BaT iO 3)的居里温度约为120℃, 图1 压电晶片的极化 而不同牌号的锆钛酸铅(PbZrT iO 3,缩写PZT ),居里温度为190℃～350℃,偏铌酸盐(PM N)约为400℃。若使压电材料随后加热到居里温度,它就会“退极”,丧失压电特性。因此,检测高温试件时,须防止换能器“退极”。必要时,应另选换能器材料。 2 几个重要物理特性 2.1 振动模式 换能器薄片,不管是由自然界存在的压电单晶体制成,还是由极化的多晶体材料制成,当言及探头结构时,通常都称其为“晶片”。晶片可为圆形或矩形;对某些应用,还可作成瓦形或凹面,以使声束聚焦。晶片受到电脉冲激励时产生的振动模式,对石英单晶来说,取决于其切割方向;对多晶体来说,则取决于其极化方向。图2即典型的石英单晶体;图2(a )中标有结晶学规定的三个晶轴;图2(b)为从晶体上切下的两晶片,分别为X-切割晶片和Y-切割晶片。这里,所谓X-切割晶片是指表面与X 轴相垂直的晶片,而Y-切割晶片是指表面与Y 轴相垂直的晶片。若将交变电压施加于晶片两面,X-切割晶片会在厚度方向产生伸缩变形,而Y-切割晶片会在 第30卷第2期2006年4月 无损探伤N D T Vol.30No.2 Apr il.2006
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。 当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。 实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。 二、压电材料 具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件。 目前已发现的压电材料品种繁多，性能各异，按系列可分为三大类。 （一）压电单晶体 超声换能器应用的天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、鈮酸锂等，都具有同样的压电特性。 石英晶体的性能相当稳定，但需使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精密度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已很少使用。 （二）压电陶瓷 压电陶瓷品种最多，它是人工制成的压电多晶体材料，
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910227590.4 (22)申请日 2019.03.25 (71)申请人 武汉科技大学 地址 430081 湖北省武汉市青山区和平大 道947号 (72)发明人 陈辉 赵雷 何漩 曾祥会 方伟 李薇馨 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 42222 代理人 张火春 (51)Int.Cl. C08L 63/00(2006.01) C08L 79/08(2006.01) C08L 79/04(2006.01) C08L 33/00(2006.01) C08K 7/24(2006.01)C08K 3/36(2006.01)C08K 3/22(2006.01) (54)发明名称复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法(57)摘要本发明涉及一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。其技术方案是：以50～90wt％的改性树脂和10～50wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料20～30wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。本发明制备工艺简单、体积密度可控和厚度可加工，所制备的复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料具有阻抗梯度、高频、高效、宽带(>110％)导通的特点，适用于高温、湿热、极冷等多物理场载荷环境，广泛应用于航空航天、地质勘察、深海探测、极地科研、汽车、医疗等领域，社会效益和经济效益显 著。权利要求书1页 说明书7页CN 110003619 A 2019.07.12 C N 110003619 A
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。
超声波发生器与换能器的匹配设计 选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：思忠 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用； 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，V Am为等效负载上的基波幅度； V cc为电源电压；V ces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，Po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率Po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载R L’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载R L进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率P O时的初级电阻
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电V CC为220V，V CES=1V，功率应留有一定余量，则P O=1.5P O'=1500W。则变压器初级的 6.5Ω 若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点： 1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R 也愈小，从而线圈的铜损P m也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs 为磁芯的最大和磁通密度。 2. 要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：ωLl≥15R L'，其中R L' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，ωL1为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3．要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。
超声换能器的用途 超声波常用的换能器由振动激励方式区分分为磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器 . 20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。 二、超声换能器 超声诊断仪是依靠超声换能器产生入射超声波（发射波）和接收反射的超声波（回波）的．所以在医用超声诊断仪中超声换能器又称为探头． 超声换能器的机械振荡是由高频电能激励产生的．反射回来的超声能量又通达超声换能器转换为电脉冲．探头能将电能转换为声能，又能将声能转换成电能，故有换能器之称． （一）压电效应 1、正压电效应 在晶体或陶瓷的一定方向上，加上杌械压力，使其变形，晶体或陶瓷的两个受力面上， 产生符号相反的电荷；变形方向相反，两面的电荷极性随之变换．电荷密度同施加的机械力成正比．这种因机械力作用而激起表面的电荷效应，称为正压电效应． ２．逆压电效应 在晶体或陶瓷表面沿轴方向施加电压，在电场作用下引起几何应变，电压方向改变，机械应变方向亦随之改变，形变与电场成比例．这种因电场作用而引起的形变效应，称为逆压电效应．超声诊断仪探头在发射超声波时是逆压电效应．接收超声回波时产生压电效应． （二）压电材料和压电振子 具有压电效应的材料很多，如石英、酒石酸钾钠等晶体，有钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、铌酸钡、钛酸锂、锆钛酸铅等陶瓷都是具有压电效应的材料；压电材料有压电效应就有逆压电效应．自锆钛酸铅问世以来，医用超声换能器所用的压电材料就由锆钛酸铅代替了． 在压电体的正反表面上进行极化，覆盖上一层激励电极后，就成为压电振子，就具有正压电效应和逆压电效应． 换能器的压电振子相当于一个电容（具有容抗作用），在超声发射电路中与线圈形成并联谐振，得到高频激励电压，产生机械振动和超声波．压电换能器上施加的交变电压的频率与换能器的压电振子的固有频率相等时，才能获得最大的机械振动． （三）诊断用超声换能器的基本结构形式 １．基本单元换能器 根据临床诊断的要求，换能器有许多种不同结构形式，而单元换能器是基本的结构．单元换能器它由主体和壳体两部分组成． （１）主体：包括：①压电振子，它是产生压电效应的元件．
超声波换能器 一种能把高频电能转化为机械能的装置。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，而自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。 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。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。 压电陶瓷超声换能器工作原理 压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。 超声波换能器是将电能转换成机械能（超声波）的器件，其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。 [1] 将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器，换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。 现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。 换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。 我们主要生产大功率超声波换能器，应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。
摘要介绍了采用脉冲回波法进行超声测距的原理，设计了一种高效率的超声换能器驱动电路，使换能器和功放的阻抗匹配得到改善。另外还设计了一种单电源回波接收电路。本系统主要用于车辆防碰撞等领域。从实验结果来看，发射效率和接收灵敏度均较高，回波效果良好，大大提高了超声波探头的作用距离。关键词超声测距脉冲变压器阻抗匹配推挽放大器随着我国汽车工业和高速公路事业的飞速发展，研制、开发基于高性价比的超声波测距技术的车辆防撞系统具有重要的社会与经济价值。车辆防撞系统具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米波雷达、摄像机、和高档微机等。据海外媒体报道，戴姆勒—克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车尤指卡车使用的电子刹车系统，它利用车载前视雷达感应器探测前方景物，由车载控制器处理这一感知信息而形成虚拟景象，由此来判断当前路况是否需要启动自动刹车装置。这种新型刹车系统在未来的两、三年内即可面市，预期价格为3745欧元[1]。显然，就普通汽车而言，该自动电子刹车装置太昂贵。超声测距传感器价格低廉，其性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，而且使用方便。然而，常见的超声测距仪的作用距离较短，一般均小于或等于10，从而限制了它在汽车高速行驶时的使用性能。超声测距仪的作用距离不仅仅依赖于高性能的超声波
探头，而且与超声波的发射与接收电路的机电能量转换效率有关。本文主要研究一种高效的超声换能器收发电路，以增大超声测距仪的作用距离，使之能够在未来的国产化汽车主动防撞系统中得到应用。1超声测距原理谐振频率高于20的声波被称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，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。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能机械能转换为电能。最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体目标后必有反射回来的声波回波作用于换能器上。若已知介质的声速为，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为，那么即可按式=／2计算换能器与目标之间的距离，如图1所示。考虑到传感器的成本与安装的方便性，采用收发兼用型超声波探头，即实际距离=。声波的速度与温度有关[2]。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可表示为2驱动电路的设计图2所示的超声频驱动电源用于激励超声换能器使之向外发送超声波，超声频电源与超声换能器仪器构成超声发生器。图2 2．1场效应管功率放大电路的设计在此采用在超声波发生器上应用较多的乙类推挽放大电路。其特点是无激励信号时，两个功率管20的静态电流为零；而有激励信号时，两个功率管
声波发生器与换能器的匹配设计 超声波发生器与换能器的匹配设计 选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：陈思忠 、匹配概述超声波换能器与发生器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因, 造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载RI' 上的输出功率表达式为： 式中，VAm为等效负载上的基波幅度; vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量（因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po'需要乘上一个约等于1. 4—1. 5的系数。即输出功率po为1. 5Po'; 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL'。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为 n/m则输出功率PO时的初级电阻
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W设直流电VCC为 220V, VCES=10V功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W则变压器初级的 6.5 Q 若换能器谐振时等效电阻RL= 200Q,则输出变压器次级/初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B,高导磁率卩，高电阻率pc 和低矫顽力He的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点： 1. 工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量4B愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。4B取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B W Bs/ 3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2. 要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl> 15RL'，其中RL'为次 级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感 量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3. 要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。 三、调谐匹配 由于压电换能器有静电容Co,磁致伸缩换能器有静电感L0,在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角?，其输出功率pg
. 超声波换能器的基本原理 压电式换能器：压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。 超声波压电效应 某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英（SiO2）晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）等等。 2电致伸缩效应 某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效应。 3.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-[1]。同样，利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激励电能以用于大功率场合。需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应
` 超声波发生器与换能器的匹配设计选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：思忠 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用； 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：
为等效负载上的基波幅度；式中，V Am V为电源电压；V为功放管饱和压降，故cescc 因输出变压器，末级匹配回路及晶(为了保证系统有一定功率余量的系数。51．4体管损耗电阻都有损耗，Po' 需要乘上一个约等于1．—；．5Po'为即输出功率Po1 在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负从上式可知，。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约'载R L 为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，R能器负载L变压器次初级匝数比通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。时的初级电阻，则输出功率mP／为n O文档Word ` ，设直流电1000W举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为。则'=1500W，功率应留有一定余量，则P=1.5P=1VV为220V，V OCESOCC 变压器初级的
由一路方波驱动大功率超声波换能器的电路，包括脉冲方波电压源VPULSE、反相器 U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管 Q4、第四三极管Q5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管 D4、第一变压器T1、第二变压器T2、第一绝缘栅双极型晶体管Q3、第二绝缘栅双 极型晶体管Q6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、换能器Y1；所述的反相器U1的型号为CD4069；其特征在于：所述的脉冲方波电压源VPULSE的一端接地，另一端与反相器U1的1脚连接，反相器U1的2脚与反相器U1的3脚、 第一电阻R1的一端和第五电阻R5的一端连接，反相器U1的4脚与第二电阻R2的一端、第六电阻R6的一端连接，反相器U1的7脚接地，反相器U1的14脚连接 VCC 15V电源，第一电阻R1的另一端与第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1 的发射极与第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阴极、VCC 15V电源和第二三极管Q2的发射极连接，第一三极管Q1的集电极与第一二极管D1的阳极、第一变压器 T1原边的一端、第四三极管Q5的集电极、第三二极管D3的阴极连接，第二二极管 D2的阳极与第二三极管Q2的集电极、第一变压器T1原边的另一端、第四二极管D4 的阴极、第三三极管Q4的集电极连接，第二三极管Q2的基极与第二电阻R2的另一 端连接，第五电阻R5的另一端与第四三极管Q5的基极连接，第四三极管Q5的发射 极与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阳极、第三三极管Q4的发射极连接并 接地，第三三极管Q4的基极与第六电阻R6的另一端连接，第一变压器T1的一个副 边的一端与第四电阻R4的一端连接，第一变压器T1的一个副边的另一端与第一绝缘 栅双极型晶体管Q3的发射极、第二绝缘栅双极型晶体管Q6的集电极、第一电容C1 的一端、第八电阻R8的一端、第二变压器T2原边的一端连接，第四电阻R4的另一 端与第一绝缘栅双极型晶体管Q3的基极连接，第一绝缘栅双极型晶体管Q3的集电极与第三电阻R3的一端连接并接VCC 300V电源，第三电阻R3的另一端与第一电容C1的另一端连接，第一变压器T1的另一个副边的一端与第七电阻R7的一端连接，第一 变压器T1的另一个副边的另一端与第二绝缘栅双极型晶体管Q6的发射极、第四电容 C4的一端连接并接地，第七电阻R7的另一端与第二绝缘栅双极型晶体管Q6的基极连接，第四电容C4的另一端与第八电阻R8的另一端连接，第二变压器T2原边的另一 端与第二电容C2的一端、第三电容C3的一端连接，第二电容C2的另一端与 VCC 300V电源连接，第三电容C3的另一端接地，第二变压器T2副边的一端与换能 器Y1的一端连接，第二变压器T2副边的另一端与换能器Y1的另一端连接。
技术支持：上海谐鸣超声 压电（超声）换能器的分类 超声换能器应用范围较广，型号类别较多，换能器制作材料主要有压电陶瓷、单晶、复合材料和磁致伸缩材料等，其中压电陶瓷使用较多，这里简单的介绍一下压电换能器的主要分类，大致如下： 1、根据换能器工作过程声波的传播介质分： A.气介换能器：以气体做为声波的传播媒介，如空气测距和气体流量换能 器等； B.液介换能器：以液体做为声波的传播媒介，如水下测距和液体流量换能 器等； C.固介换能器：以固体做为声波的传播媒介，如无损检测换能器基本属于 该类； 2、根据换能器工作过程中所起的作用分： A.发射型换能器：换能器只用来发射声波（信号）； B.接收型换能器：换能器只用来接收声波（信号）； C.收发共用型换能器：换能器既用于发射又用来接收声波（信号）； 3、根据换能器的振动模式分： A.夹心/纵向振子换能器：按一定的结构将机械部件和压电陶瓷通过预应力 组合在一起，如超声清洗和焊接用的换能器一般都是属于该类型； B.弯曲振动（叠片）换能器：以弯曲振动的模式发射和接收声波（信号）， 如倒车雷达上所使用的换能器属于该类型； C.普通/常规换能器：仅单独使用压电陶瓷，利用其本身各种振动模式，通 过胶黏剂固定密封于壳体内，该类型换能器使用场合较普遍，无损检测 换能器大多属于该类型； D.其他振动模式换能器：如弯张型、钹式等，但应用少，在此不一一罗列； 4、根据换能器的带宽分：有宽带和窄带换能器，水声上用的较多； 5、根据换能器耐温性分：普通型，中温型和高温型换能器； 6、根据换能器耐压力性分：普通型和高压型换能器； 7、根据换能器频率分：低频、中频和高频换能器； 换能器分类较多，以上罗列了部分分类形式，仅供参考。（上海谐鸣超声） 1
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。其 输入部分用正弦电压信号驱动, 通过逆压电效应使其产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷, 实现压电体的电能2机械能2 电能的两次变换, 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小, 质量轻, 功率密度高, 效率高, 耐击穿, 耐高温, 不怕燃烧, 无电磁干扰和电磁噪声, 且结构简单、便于制作、易批量生产, 在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。(2) 超声马达超声马达是把定子作为换能器, 利用压电晶体的逆压电效应