超声键台换能系统支承状态下导纳特性测量

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超声振动系统导纳特性与声场指向性研究

１２导纳图法．
振动系统在工作时，其各种参数都是不断变化的，
维普资讯
第７期
刘荣光等：超声振动系统导纳特性与声场指向性研究
１５５
摘要：根据力电学类比原理，利用计算机和阻抗分析仪，出功率超声振动系统在不同工况下的导纳特性，测试由导纳圆的精确解总结出了振动系统在不同工况下谐振频率和机械品质因数的变化规律，了谐振频率和机械品质因素分析
的本质，探讨了力抗负载和畴壁运动与谐振频率和机械品质因数之间的内在联系。并此确定振动系统在有负载工作时的
指导。
资助项目：国家 “７ ” ９３课题“ 大铸锭能量传输与宏微观缺陷的产生及控制 ” （课题编号：０５Ｂ３０）２０Ｃ２７７。收稿日期：２０ｏ０７一９一ｌ４第一作者刘荣光男，硕士生，９２年生１８通讯作者李晓谦男，博士，教授，９８年生１５
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其中：电晶片内摩擦阻抗和辐射能量阻抗之和；压Ｆ
（）＝Ｖｔ，力电转换系数。Ａ＝ｅＳｅｅｌ向压电ｔＡ（）Ａ：ｌ／（ｌｌ纵力常数，ｓ截面积，：电厚度）Ｖｔ：）：ｅ压；（）加在陶瓷片两端的电压。利用阻抗型力电类比原理处理压电振子的
１换能器导纳特性研究
１１压电换能器的等效电路．压电陶瓷主要作用就是把电能转化为高速来回振

超声换能器动态性能一致性评估方法

引用格式：王舒文, 章圣意, 林新霞, 等. 超声换能器动态性能一致性评估方法[J]. 中国测试，2023, 49(7): 118-124. WANG Shuwen, ZHANG Shengyi, LIN Xinxia, et al. Evaluation method of dynamic performance consistency of ultrasonic transducer[J].China Measurement & Test, 2023, 49(7): 118-124. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2022010013超声换能器动态性能一致性评估方法王舒文1，章圣意2，林新霞2，林恒2，卜勤超3，赵伟国1(1. 中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州 310018; 2. 浙江苍南仪表集团股份有限公司，浙江苍南 325800;3. 上海裕达实业有限公司，上海 200240)摘　要: 超声换能器是超声流量计中的核心传感器件，其动态性能决定超声流量计的计量准确性。

针对此问题，提出一种超声换能器动态性能测试方法，并对一致性进行评估。

该方法通过高斯模型和人工鱼群算法实现回波信号特征参数的最优估计，建立超声换能器的动态回波模型，并根据各超声换能器之间的回波特征参数计算欧氏距离，实现超声换能器的一致性评估。

流量实验结果表明，当超声换能器的欧氏距离减小时，零流量读数小于±0.012 m/s ，小流量的重复性优于0.2%，验证评估方法的可行性。

关键词: 超声换能器; 动态性能; 一致性评估; 流量测量中图分类号: TH814;TB9文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2023)07–0118–07Evaluation method of dynamic performance consistency of ultrasonic transducerWANG Shuwen 1, ZHANG Shengyi 2, LIN Xinxia 2, LIN Heng 2, BU Qinchao 3, ZHAO Weiguo 1(1. College of Metrological and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. Zhejiang Cangnan lnstrument Group Co., Ltd., Cangnan 325800, China;3. Shanghai YuDa Industrial Co., Ltd., Shanghai 200240, China)Abstract : Ultrasonic transducer is the core sensor of ultrasonic flowmeter and its dynamic performance determines the measurement accuracy of ultrasonic flowmeter. In order to solve this problem, a dynamic performance method of ultrasonic transducer is proposed and their consistency is evaluated. The Gaussian model and artificial fish-swarm algorithm are used to get the optimal estimation of echo signal characteristic parameters. The dynamic echo model of ultrasonic transducers is established. The Euclidean distance is adoped to calculated the consistency according to the echo characteristic parameters between ultrasonic transducers.Finally, the zero flowrate values are less than ±0.012 m/s and the repeatability of small flowrate is less than 0.2% when the ultrasonic transducers of the smaller Euclidean distance are used in the experiments. The feasibility of the evaluation method is verified.Keywords : keys:ultrasonic transducer; dynamic performance; consistency assessment; flow measurement收稿日期: 2022-01-04；收到修改稿日期: 2022-02-10基金项目: 国家市场监督管理总局科技计划项目(2019MK146)作者简介: 王舒文（1996- ），男，浙江杭州市人，硕士研究生，专业方向为流量计量测试和智能化仪表。

(完整版)水声换能器的基础知识

水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。

而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。

声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。

在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。

1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。

这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。

根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。

以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。

对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。

（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。

一般工作频率在100kHz~500kHz。

（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。

拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。

水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。

2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。

超声换能器频率特性及匹配研究

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。

基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测

基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测2014-09-02 09:17:51 来源:eefocus关键字：PCI-9846高速数字化仪超声波检测应用领域：基于超声导波的结构材料损伤快速无损检测及损伤在线监测应用。

挑战：目前广泛应用的超声波检测技术大多基于超声体波，由于超声体波的传播特点，需要对结构进行逐点检测，因此存在检测效率低，成本高等缺点；同时逐点扫描的检测方式也限制了其在结构健康监测领域的应用。

超声导波是体波在结构界面反射叠加形成的沿结构界面传播的应力波。

超声导波相对于体波具有衰减小，传播距离长的特点，可实现对形状规则的大结构件的快速无损检测；并且具有在线应用潜力，可作为结构健康在线监测的技术手段。

但是超声导波相对于体波更加复杂，主要表现为两方面：一方面为导波的多模态特性，即同一频率下同时存在有多种导波模态；另一方面为频散特性，即同一模态导波在不同频率下的传播速度不同。

超声导波的复杂性对检测平台和检测方法提出了更高的要求。

解决方案：超声导波检测方法为主动检测，包括信号的激发的和接收。

针对导波的多模态的特性，拟采用单一模态导波作为检测信号，因此需要在检测平台从信号激发和接收两方面抑制其他模态。

主要通过传感器尺寸，信号激发频率，优化匹配实现单一导波模态激发。

为了实现对被检对象的快速检测，根据雷达原理发展了适用于超声导波的相控阵列及信号处理算法，以此实现对材料损伤的快速成像检测。

1 应用背景随着当前对大型设备结构安全性的日益关注，无损检测技术已成为现代结构设备制造和使用过程中必不可少的检测手段之一, 广泛应用于各个领域，如航空航天领域、电力生产领域、石化输运加工领域等。

这些领域的设备结构通常处于较恶劣的工作条件，容易发生磨损、腐蚀、疲劳、蠕变等损伤，进而造成结构内部产生缺陷，危害结构安全性。

因此对这些设备结构进行实时监测和诊断成为无损检测技术应用中的一个重要方面。

目前工业界常用的五大无损检测方式包括：渗透检测，磁粉检测，涡流检测，超声波检测，射线检测。

超声导波检测仪操作说明

超声导波检测仪操作说明操作说明：超声导波检测仪1.检查仪器：在使用超声导波检测仪之前，确保仪器外观完好无损，无任何明显的物理损坏。

检查电池电量是否充足，如需更换电池，请确保使用与原电池相同的型号。

2.打开仪器：按下电源按钮启动超声导波检测仪。

待仪器开机成功后，等待其进行初始化。

3.设置参数：根据实际需求，设置仪器的工作参数。

主要包括超声波频率、探头类型和工作模式。

根据被测样品的材料和尺寸，选择合适的超声波频率。

不同材料的探头类型也不同，根据被测样品的材料选择适当的探头。

工作模式有手动和自动两种选择，手动模式适用于需要手动控制探头移动的情况，自动模式适用于需要对大面积进行快速检测的情况。

4.校准仪器：在开始正式检测之前，需要校准超声导波检测仪，以保证测量的准确性。

具体校准方法可根据仪器说明书进行操作。

5.放置探头：将合适的探头放置在被测样品的表面。

确保探头与被测样品的表面紧密贴合，避免空气隙缝。

6.开始检测：启动超声导波检测仪，将探头开始移动。

可以选择手动控制探头移动，也可以选择自动模式进行大面积快速检测。

在移动过程中，仪器会通过超声波来探测被测样品内部的缺陷。

7.结果分析：当超声导波检测仪检测到问题（如缺陷、裂纹等）时，仪器会显示相关信息，如缺陷的位置、尺寸等。

根据检测结果，可以进行详细的数据分析和判断。

8.数据存储：超声导波检测仪通常具有数据存储功能，可以将检测结果保存在仪器内部的存储器中。

也可以将数据导出到计算机或其他外部设备进行后续处理和分析。

9.关机：当使用完毕时，按下电源按钮关闭超声导波检测仪。

注意及时断开仪器与被测样品之间的电源连接，避免电流对被测样品的损害。

10.保养和维护：定期对超声导波检测仪进行保养和维护，保持其性能稳定和可靠。

清洁仪器外观，避免灰尘和杂物堆积。

及时更换损坏的探头和电池。

以上即是超声导波检测仪的操作说明，希望能对用户正确使用该仪器起到指导作用。

在操作过程中，要根据仪器的说明书进行具体操作，并根据实际需求进行参数的设置和校准。

超声波换能器特性分析及其电源设计

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。

转载水声换能器基本知识风云使者nbsp20

转载水声换能器基本知识风云使者 nbsp 20 转载水声换能器基本知识风云使者nbsp 20[转载]水声换能器基本知识 2009年07月29日地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。

当今各国都在努力加强海军建设和大范围地开发海洋事业。

声纳这一水下探测设备成了开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。

人们比喻声纳设备是舰船的水下耳目，换能器及其基阵则可谓之耳目的鼓膜和瞳孔了。

由于电磁波在水下传播衰减极快，探测距离甚微，因此发现和测量水下目标，目前仍主要采用声纳。

声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听;或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播打到目标反射回来接收之，再转变为电信号供收听或观察，由此可以判断水下目标的方位和距离。

在这个水下电声信号的转换过程中的关键设备就是水声换能器或是换能器阵。

水声换能器的应用水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。

这里仅介绍几种在水下探测方面的应用:在测深方面:无论是军舰或是民船为保证航行安全都要安装测深声纳。

此外在航道检测港务工程中的专用船只上都备有精度高功能齐全的测深仪，止触礁和撞击浮动冰山。

用于内河和大洋中的测深深度大约相差三个数量级，所以测深换能器的频率和功率也相差甚远。

频率为10kHz~200 kHz的范围内较多;功率从数瓦到数十千瓦。

高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋大深度。

对这类换能器的要求是波束稳定，主波束尖锐以利提高水平方向分辨率。

在定位、测距方面:在测量航船对地的航行速度上，大多采用多普勒声纳。

用四个性能相同的换能器分别排列在龙骨相垂直的左右舷方向。

一般使用100kHz到500kHz的频率。

在海洋考查，海底地层勘探方面:从所周知，海洋中除了有丰富水生物资源外，海底地层下面还蕴藏着许多矿物资源，目前许多国家都大力开发海底石油和天然气。

超声波换能器性能优劣的判断标准

超声波换能器性能优劣的判断标准评定一个压电换能器或振动系统的性能优劣，需要从参数和导纳曲线图两方面进行分析：一、参数1、机械谐振频率（Fs）：即振动系统的工作频率、设计中应尽可能接近期望值，并且必须与电源工作点匹配。

2、动态电阻（R1）：压电振子串联支路的电阻，在相同的支撑条件下越小越好。

对于清洗或焊接振子来说，一般在5Ω-20Ω之间。

如果太大的话，振子或振动系统工作会有问题，如电路不匹配或转换效率低、振子寿命短。

3、机械品质因素（Qm）：以电导曲线法确定，Qm＝Fs /(F2－F1)，Qm越高越好，因为Qm越高，振子的效率越高；但Qm必须与电源匹配，Qm值太高时，电源无法匹配。

对于清洗振子来说，Qm值越高越好，一般来说，清洗振子的Qm要达到500-1000之间，太低的话，振子效率低，太高的话，电源无法匹配。

对于超声焊接或加工来说，振子本身的Qm值一般在50-1000左右，整机系统在1500-3000，太低的话，振动效率低，但是也不能太高，因为Qm越高，工作带宽越窄，电源难以匹配，即：电源难以工作在谐振频率点，设备无法工作。

4、自由电容（CT）：压电器件在1kHz频率下的电容值，此值和数字电容表测得的值是一致的。

这个值减掉动态电容C1就可以得到真正的静电容C0，C0＝CT－C1。

使用时要以电感对C0进行平衡。

在清洗机或超声加工机器的电路设计中，正确地平衡C0可以提高电源的功率因素，使用电感平衡有两种方法，并联调谐和串联调谐。

5、反谐振频率（Fp）：压电振子并联支路的谐振频率，在这个频率下，压电振子的阻抗Zmax最大，如果反谐振阻抗Zmax很低，则振子有问题。

二、图形压电换能器或振动系统的振动性能可以直接通过对数坐标图进行判断，比较直观，很实用。

1、正常的情况下，导纳圆与电导曲线如下图，导纳圆为单圆，对数坐标图只有一对极小值和极大值：2、异常情况下，导纳圆与电导曲线如下图, 导纳圆图上出现多个寄生小圆，对数坐标图有多对极小值和极大值：在以下的情况中，压电陶瓷或换能器的导纳圆与电导曲线会出现异常：（1）换能器在装配时出现晶片裂。

超声技术的基石_超声换能器的原理及设计

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。

超声导波检测技术原理

超声导波检测技术超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术利用低频扭曲波（Torsinal Wave）或纵波（Longitudinal Wave）可对管路、管道进行长距离检测，包括对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测。

超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。

但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率f＜100KHz，因此导波对单个缺陷的检出灵敏度与通常使用频率在MHz级别的超声检测相比是比较低的，但是导波检测的优点是能传播20~30米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。

低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。

超声导波应用的主要波型包括-扭曲波（Torsinal Wave，也简称为扭波）和纵波（Longitudinal Wave）。

扭曲波的特点是能够一边沿管子周向振动，一边沿管子轴向传播，声能受管道内部液体影响较小（在导波检测时，液体在管道中流动是允许的），回波信号能包含管轴方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信号，信号识别较容易，在应用中需要换能器数量少，重量轻、费用省、因管内液体介质而产生的扩散效应较小，波型转换较少，检测距离较长，对轴向缺陷灵敏度高。

纵波特点是一边沿管子轴向振动，一边沿管子轴向传播，回波幅度与缺陷性状关系不大，回波信号不如扭波清晰，因为受管内流体流动的影响，也受探头接触面的表面状态影响较大（油漆、凹凸等）受被测管内液体介质流动的影响很大。

超声导波检测装置主要由固定在管子上的探伤套环（探头矩阵）、检测装置本体（低频超声探伤仪）和用于控制和数据采样的计算机三部分组成。

实际支承工况下压电换能器等效电路实验研究

导纳圆实验数据拟合，得相应的等效电路参数。结果表明，换能器不同振动模态下，效并联电容电阻并非恒获在等
定值，而且实际支承工况下换能器系统工作时存在负阻尼效应。关键词：声键合；心式压电换能器；纳圆拟合；效电路超夹导等
实际支承工况下压电换能器等效电路实验研究
周宏权，韩雷
（中南大学机电工程学院，南长沙４０８）湖１０３
摘
要：利用直接数字合成器（Ｓ对夹心式换能器进行扫频，得两个不同共振频率附近的导纳圆。通过ＤＤ）测
ＺＨＯＵｎｇｑｕｎ，ＨＡＮｉＨｏ — ａＬｅ
（ｎｒｌＳｕｈＵｎｉｅｓｔＣｅｔａｏｔｖｒｉｙ，Ｃｈｎｓ１０３，Ｃｈｎ）ａｇｈａ４０８ｉａ
ＡｂｔａｔＴｈｉｅｔｄｇｔｌｙｔｅｉｅＤＤＳ）ｉｕｅｏｓｅｒｑｅｃｏａｄｃｉｚｅｅｔｉｔａｓｕｅｓｒｃ：ｅｄｒｃｉｉｎｈｓｚｒ（ａｓｓｓｄｔｗｅｐｆｅｕｎｙｆｒａｓｎｗｉｈｐｅｏｌｃｒｃｒｎｄｃｒｔｄｉａｃｉｃｅｆｔｅｔａｓｕｅｂｕｗｏｄｆｅｅｔｒｓｎｎｅｆｅｕｎｉｓｉａｕｅ．ｉｈａｍｉｔｎｅｃｒＷＯａｍｔｎｅｃｒｌｓｏｈｒｎｄｃｒａｏｔｔｉｒｎｅｏａｃｒｑｅｃｅｓｍｅｓｒｄＷｔｄｔａｃｉｔｆ — ｃｅｆｔｎｏｅｐｒｌｉｉｇｔｘｅｉｎａａｑｉａｅｔｉｕｔｐｒｍｅｅｓｃｎｂｂａｎｄＴｈｅｕｔｓｏｔｍｅｔｄｔ，ｅｕｖｌｎｒｉａａｔｒａｅｏｔｉｅ．ｃｃｅｒｓｌｈｗｓｎｅｉｅｅｉ，ｕｄｒｄｆｒｎｔｖ — ｆｂａｉｎｍｏｅｑｉａｅｔｐｒｌｌｃｐｃｔｎｅａｄｒｓｓａｃｒｏｏｓａｔｖｌｅＴｈｒｓｎｇｔｖａｆｅｔｉｒｔｄ，ｅｕｖｌｎａａｌａａｉｃｎｅｉｔｎｅａｅｎｔｃｎｔｎａｕ．ｏｅａｅｅｉｅａｉｅｄｍｐｅｆｃｎ

超声换能器及超声波传播仿真软件PZFlex

PZFlex软件简介PZFlex 是专为压电和超声应用而开发的全球领先的波传播软件包。

经过二十年的开发，我们完善了PZFlex 的功能，使得我们能够为换能器、超声成像和无损检测的设计开发提供完整的解决方案。

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PZFlex 采用了大量的先进理论、算法和并行技术，可用于求解数千万单元的模型。

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PZFlex 的材料模型可以是个各向同性弹性材料、各向异性弹性材料、压电材料、非线性材料、粘弹性材料、瑞利阻尼及牛顿粘度模型。

在材料模型中纵向体积弹性模量和横向剪切阻尼也可以指定。

通常情况下，PZFlex 在普通PC 机上计算2‐D 模型（10000单元），用时不到一分钟时间，计算3‐D （数百万单元）也仅需几个小时。

PZFlex 采用了all ‐in ‐memory 算法，计算模型规模的限制仅仅取决于计算机内存的大小。

PZFlex 的输出包括时间历程或场变量快照，例如电压、电荷、位移、速度、压强、应力、PZFlex 在计算的同时同步存储计算数据，以便后续的后处理调用。

第三章医用超声换能器

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。

超声波换能器的匹配设计

超声波换能器的匹配设计(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--超声波换能器的匹配设计一、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，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。

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数的变化情况。
关键词：声键合换能系统；超等效电路；导纳；导纳圆中图分类号：Ｎ３５９Ｔ０．３文献标识码：Ａ文章编号：０４４０（０７１—０６０１０ —５７２０）２０２．６
ＥｘｅｉｅｔｌＳｕｄｅｆＥｌｃｒｃｌＣｈａａｔｒｓｉｎＵｌｒｓｎｉｐｒｍｎａｔｉｓｏｅｔｉａｒｃｅｉｔｃｏｔａｏｃＴｒｎｓｕｃｒｏｉｅＢｏｅｓｌｒｍｇｅａｄｅｆＷｒｎｄｒＲｅｕｔｆｏＤｅｒｅｏｇｎｅｓｏａｐｆＴｉｈｔｓｆＣｌｍ
ｅｕｖｌｎｉｃｉｒｃｕｒｄ．ｑｉａｅｔｃｒｕｔａｅａｑｉｅＫｅｗｏｒ：Ｐｉｚｅｅｔｉｒｎｄｅ；ｕｖｌｎｉｃｔＡｄｔａｅ；ｍｉａｃｉｃｅｙｄｓｅｏｌｃｒｃｔａｓｕｃｒＥｑｉａｅｔｃｒｕｉ；ｍｉｔｎｃＡｄｔｎｅｃｒｌｔ
ｐｐｒＢｓｄｏｅａｍｉａｃｉｌｏｅｏｌｃｉｔｎｄｃｒ［ｇｒ］ｔｅｍａｎｐｒｍｅｅｓａｏｔａｅ．ａｅｎｔｄｔｎｅｒｅｆｉｚｅｔｃａｓｕｅｆｕｅ６，ｈｉａａｔｂｕｈｔｃｃｐｅｒｒｉｒ
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引言
超声键合换能系统在微电子封装工业中担负着实现电声转换，生超声振动，递超声能量的产传
收稿日期：０７１－８２０．１２
重任，是超声键合工艺过程中核心部件，工作特其性依赖于对其性能的深刻认识。然而，际换能器实
能器系统为对象，究无负载情况下夹持装置和劈研刀两个主要影响因素对超声键合换能系统电学导
电陶瓷产生机械振动，由变幅杆放大后经劈刀作用于键合点，并且在键合压力及温度影响下完成键合。
３压电换能器等效电路理论
系统是通过肋环夹持并使键合工具进行焊接。以前
国内国外关于超声键合换能系统器的研究主要集
作者简介：明安，（族）中南大学研究生，究方向：电子封装，１于中国电子科技集团公司第四十五研究所。广男汉，研微现：作
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超声罐台换能系统支承状态下导纳特性测量
广明安，韩雷ｚ（．国电子科技集团公司第四十五研究所，京东燕郊０５０；．南大学，沙４０８）１中北６２１２中长１０６摘要：分析了无负载情况下肋环夹持装置和劈刀两个主要因素对超声键合换能系统电学导纳特性的影响情况。分析了压电换能器的等效电路，过压电换能器的导纳圆图，定换能器各参通确
⑧ （第１期） ■ 衄总５囫 — ５
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中在其本身的特性，关于劈刀和支承夹持等外部而影响因素的研究却很少。工业生产实践中发现，调整好劈刀和支承夹持对超声键合具有重要意义。本实验以Ｔ２０Ｓ１０全自动金丝键合机的压电换