超声波换能器工作原理
超声波换能器原理知识大普及
超声波换能器原理知识大普及在对超声波焊接机、超声波清洗机等设备的了解过程中，都会看到超声波换能器的身影，那么超声波换能器究竟是个什么设备呢?它主要完成哪些功能呢?又是利用什么原理来完成的呢?接下来就让小编带您一探究竟！一、超声波换能器简介超声波换能器，英文名称为Ultrasonictransducer，是一种将高频电能转换为机械能的能量转换器件。
其常被用于超声波清洗机、超声波焊接机、三氯机、气相机等设备中，在农业、工业、生活、交通运输、军事、医疗等领域内都得到了广泛的应用。
超声波换能器二、超声波换能器结构超声波换能器主要包括外壳、声窗(匹配层)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆、Cymbal阵列接收器等几大部分构成。
其中，压电陶瓷圆盘换能器起到的作用和一般的换能器相同，主要用于发射并接受超声波;而在压电陶瓷圆盘换能器的上面是Cymbal阵列接收器，主要由引出电缆、Cymbal换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成，用作超声波接收器，接受压电陶瓷圆盘换能器频带外产生的多普勒回拨信号。
超声波换能器结构三、超声波换能器原理超声波换能器，其实就是频率与其谐振频率相同的压电陶瓷，利用的是材料的压电效应将电能转换为机械振动。
一般情况下，先由超声波发生器产生超声波，经超声波换能器将其转换为机械振动，再经超声波导出装置、超声波接收装置便可产生超声波。
超声波换能器原理四、超声波换能器应用(1)超声波清洗机利用超声波在清洗液中不断地进行传播来清洗物体上的污垢，其超声波振动频率便是由超声波换能器决定的，可根据清洗物来设定不同的频率以达到清洗的目的。
(2)超声波焊接机利用超声波换能器产生超声波振动，振动产生摩擦使得焊区局部熔化进而接合在一起。
(3)超声波马达中并不含有超声波换能器，只是将其定子近似为换能器，利用逆压电效应产生超声波振动，通过定子与转子的摩擦进而带动转子转动。
(4)超声波减肥利用超声波换能器产生机械振动，将脂肪细胞振碎并排出体外，进而达到减肥的效果。
超声波换能器工作原理
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。
超声波清洗机的换能器原理
超声波清洗机的换能器原理超声波清洗机是一种利用超声波技术进行清洗的设备，其核心部件是换能器。
换能器是将电能转化为机械振动能的装置，它在超声波清洗机中起到了至关重要的作用。
换能器的原理是基于压电效应。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力作用时，会产生电荷分离，从而形成电压。
根据这个原理，换能器利用压电材料的特性，将电能转化为机械振动能。
换能器一般由压电陶瓷材料和金属材料组成。
压电陶瓷材料具有良好的压电效应，而金属材料则用于支撑和导电。
在换能器中，压电陶瓷材料被夹在两个金属片之间，形成一个夹层结构。
当外加交流电源施加在夹层结构上时，电场的变化会导致压电陶瓷材料的体积发生微小的变化。
由于夹层结构的限制，这种微小的变化只能以机械振动的形式传递出来。
换能器的振动频率与外加交流电源的频率相同，一般为20kHz至100kHz。
在超声波清洗机中，换能器的振动能够产生超声波。
当交流电源施加在换能器上时，压电陶瓷材料的振动会传导到清洗液中，产生一系列的压力波。
这些压力波会在清洗液中形成高频振动，产生微小的气泡。
这些微小气泡在清洗液中迅速生长和破裂，产生大量的冲击波和涡流。
这些冲击波和涡流能够将污垢和污染物从清洗物体的表面剥离，并将其悬浮在清洗液中。
同时，超声波的震荡作用还可以通过物理和化学效应去除污垢和杀灭微生物。
超声波清洗机的换能器原理使其具有很多优点。
首先，超声波清洗机可以在不使用化学溶剂的情况下实现高效的清洗效果。
其次，超声波可以穿透到微小孔隙和角落，清洗效果更加全面。
此外，超声波清洗机可以在不损坏清洗物体的情况下去除顽固的污垢和油脂。
然而，超声波清洗机的换能器原理也存在一些限制。
首先，超声波的传播距离有限，因此清洗物体的尺寸和形状需要适应清洗机的规格。
其次，超声波的能量密度较高，对某些材料可能会产生损伤。
此外，超声波的清洗效果也受到清洗液的影响，不同的清洗液对不同的污染物有不同的清洗效果。
超声波清洗机的换能器原理是利用压电效应将电能转化为机械振动能，从而产生超声波进行清洗。
医用超声波发生器的换能器原理
医用超声波发生器的换能器原理医用超声波发生器的换能器原理是将外加的能量转换为超声波。
它是一种物理装置，能够将电能或其他形式的能量转换为高频声波能量。
这些高频声波能够通过特定的介质传播，并在目标物体上产生特定的作用。
换能器的作用有：将电能转换为超声能量；使超声能量具有高的放射性能；可以控制超声波的频率和幅度。
换能器的工作原理是将电能转换成超声能量。
具体来说，换能器是通过一个封装好的密封桶中的传感器把电信号转换成机械振动，然后产生超声波。
传感器可以是压电式、磁式或电磁式，但最常用的是压电式传感器。
压电式传感器内部有一个压电片，当外界施加电压时，压电片就会发生振动，这些振动就可以产生超声波。
换能器的结构一般有三部分：壳体、换能器元件和支撑结构。
壳体是外壳，用来封装换能器元件和支撑结构，一般是金属或塑料制成。
换能器元件包括传感器、振子、悬挂结构和线圈等，它们负责将电能转换成机械振动，从而产生超声波。
支撑结构用来支撑换能器元件，它一般是金属或塑料制成的，也可以是水环或空气环。
换能器的放射性是决定超声治疗效果的关键因素之一。
一般来说，换能器的放射性越高，超声治疗效果越显著。
换能器的放射性取决于换能器元件的材料、结构、尺寸及悬挂结构等。
放射性良好的换能器能够有效地将外加的能量转换成超声能量，使超声波在目标物体上产生有效的作用。
换能器还可以控制超声波的频率和幅度。
频率决定了超声波的波形，幅度决定了超声波的强度，换能器可以控制这两个参数，从而控制超声波在目标物体上的作用。
总之，医用超声波发生器的换能器原理是通过将电能转换成超声能量，并控制超声波的频率和幅度来实现的。
它是医疗超声治疗的关键部件，可以大大提高超声治疗的效果。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理
超声波换能器是一种将电能转化为声能的器件。
其工作原理基于压电效应和逆压电效应。
压电效应指的是当某些晶体在受到外加电压的作用下，会发生形变或产生电荷，这种晶体被称为压电晶体。
例如，一些合成的晶体材料，如钛酸铅（PZT），在受到压力变化时，会在晶
格中产生电荷。
通过将电压施加在压电晶体上，可以引起晶体的形变。
逆压电效应是指压电晶体在受到外力（声波）作用下会发生电荷的变化。
当声波传播到压电晶体上时，晶体会产生变形，从而在晶格中产生电荷。
这个电荷可以被采集和测量。
基于以上原理，超声波换能器通过将电压施加在压电晶体上，引起晶体的形变。
当外界传来声波时，压电晶体会产生电荷的变化。
这个电荷变化可以被测量，从而得到声波的信息。
超声波换能器在超声波成像、声纳、声测、牙科器械等领域广泛应用。
其优势包括频率范围宽、输出功率高、响应速度快等。
超声波换能器的原理和使用
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，而它自身消耗很少一部分功率（小于10%）。
所以，使用超声波换能器最主要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。
超声波换能器分类：1、柱型2、倒喇叭型3、钢后盖型4、中间夹铝片型主要适用于超声波塑料焊接机、超声波切割刀、超声波金属焊接机，超声波清洗机，超声波声化学设备等。
超声波换能器在合适的电场激励下能发生有规律的振动，其振幅一般10μm左右，这样的振幅要直接完成焊接和加工工序是不够的。
连上通过合理设计的变幅杆后，超声波的振幅可以在很大的范围内变化，只要材料强度足够，振幅可以超过100μm。
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（如花边机，CD机，清洗机，拉链机）和脉冲工作（如塑料焊机），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，脉冲工作是间歇的，有停顿，但瞬间电流很大。
平均而言，二种状态的功率都是很大的。
使用超声波换能器最主要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。
换能器的频率相对而言还比较直观些。
该频率是指用频率（函数）发生器，毫伏表，示波器等通过传输线路法测得的频率，或用网络阻抗分析仪等类似仪表测得的频率。
一般通称小信号频率。
与它相对应的是上机频率，即客户将换能器通过电缆连到机箱上，通电后空载或有载时测得的实际工作频率。
因客户匹配电路各不相同，同样的换能器在不同的驱动电源（电箱）表现出来的频率是不同的，这样的频率不能作为交流讨论的依据。
让换能器和驱动电源、模具良好配合以形成一台完整的超声波设备可以简称为匹配。
由于匹配对整机性能的影响是决定性的，无论怎样强调匹配的重要性都不为过。
匹配最主要考虑的因素是换能器的电容量，其次是换能器的频率。
换能器与驱动电源的匹配主要有4个方面，即阻抗匹配、频率匹配、功率匹配、容抗匹配。
超声波换能器原理
超声波换能器原理
超声波换能器是一种将电能转换为机械振动能的装置，它是超声波技术的核心部件之一。
超声波换能器的原理是利用压电效应，将电能转换为机械振动能，从而产生超声波。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时，会产生电荷分布的不均匀，从而产生电势差。
反过来，当电场作用于这些晶体时，会使其发生形变。
这种晶体就是压电晶体，如石英、锆钛酸铅等。
超声波换能器通常由压电晶体和金属质量块组成。
当外加电压作用于压电晶体时，它会发生形变，从而使金属质量块也发生振动。
这种振动会产生超声波，其频率与电压的频率相同。
超声波换能器的工作原理可以用以下公式表示：
f = n × v / 2d
其中，f为超声波的频率，n为振动模式数，v为压电晶体的声速，d为压电晶体的厚度。
超声波换能器的应用十分广泛，如医学、工业、军事等领域。
在医学领域，超声波换能器被用于超声诊断、超声治疗等方面。
在工业领域，超声波换能器被用于清洗、焊接、切割等方面。
在军事领域，超声波换能器被用于声纳、水下通信等方面。
超声波换能器是一种将电能转换为机械振动能的装置，其原理是利用压电效应产生超声波。
它的应用十分广泛，是超声波技术的核心部件之一。
超声波换能器的基本原理
. 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]。
超声波换能器的结构及原理
超声波换能器的结构及原理超声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。
超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。
通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，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。
换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。
超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。
人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。
其结构原理如图3所示：图3超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。
压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。
相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图 4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。
如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。
超声换能器的原理及设计
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。
超声波换能器原理
１－２
图1.1 电动式换能器基本结构示意图 我们知道，在电磁学中有下述关系式： F=Bli 和 e=Blυ 式中：F-作用力；i-电流；B-磁感应强度；l-导体长度；υ-导体运动速度；e-感应电势 根据电磁感应原理，对位于磁场中的导体通入电流i时，将有电磁作用力F作用于导体（如果磁场恒定不变，则电磁力F的大小与电流i成正比），根据左手定 则，导体将会在输入电流与磁场内磁力线相交平面的垂直方向产生位移（当电流方向改变时，作用力的方向也同时改变），这样就会带动与导体连接的振动膜 运动，进而推动振动膜周围的传声介质而发射机械振动波（声波）。相反，当与导体连接的振动膜受机械振动波（声波）作用而振动时，带动导体在磁场中运 动，切割磁力线，就会在导体两端产生感应电势，其方向决定于右手定则，这种感应电势即可作为接收信号输出。在实际应用中，通常在换能器外壳上附设体 积很小的升压变压器，把音圈上的感应电势升压后再输出。 常见的电动式换能器有动圈式扬声器及话筒，或带式传声器等。电动式换能器的结构简单牢固，方向性强，电声效率高，但由于其结构所限，不适用于高频场 合而多用于低频情况下工作，如音响装置中的低音扬声器。 4.电磁式换能器：这是利用电磁作用力和磁路中磁阻变化而起换能作用的器件，其结构如图1.2所示。
图1.4 电磁-声换能器在导电金属中激发超声波的基本作用原理示意图 在图1.4中，Bz为方向平行与板面的磁感应强度，Br为方向垂直与板面的磁感应强度；g为涡流的电流密度，它与输入电流方向相反。根据右手定则可确定洛伦 兹力F的方向在（a）中垂直于Bz与g的平面（垂直于板面）--激发纵波，在（b）中垂直于Br与g的平面（平行于板面）--激发横波。 根据电磁感应原理，在感应磁场B中作用于以速度V移动的电荷e上的力F（即洛伦兹力）有：F～eVB。当把通有交变电流i的线圈置于导电体上时，导电体中的 微小体积元dV中感应出以e和V确定的电流密度为g的涡电流。因此：F～gB，矢量g、B和F相互垂直且g与i反向（注意，由于交变电流存在趋肤效应，故dV应是 靠近导电体的表面）。 在接收超声波（如反射回波）时，响应于声压作用力使体积元dV在恒磁场B中振动，因此受力F’～eV’B，V’为振动速度。此力使带电质点运动产生电流密度 为g的交变电流即涡流。该涡流使配置在导电体上的检测线圈中感应产生感应电势（感应的交变电流）作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频 率，其大小则随有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时，其总的极化强度将会发生变化，即表现为电极化（产生电场）。 因此，电致伸缩效应可以说与电极化现象有关（自极化）。 从上述的压电效应和电致伸缩效应的结果来看，两者有几乎相同的表现形式。其中，正压电效应的表现结果与逆电致伸缩效应相当，而逆压电效应的表现结果 则与正电致伸缩效应相当。因此就宏观上来看，在实际应用中常把两者通称为压电效应，但必须注意到它们的物理意义有实质上的不同。在超声检测技术中， 对压电材料施加交变电场，该材料将沿电场方向发生交变应变，从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。反之，对压电材料施加交变应力 （即受到超声波的作用）而使该材料发生交变应变时，则会在该材料上产生交变电场，从而达到接收超声波的目的。 利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、铌酸铅（PbNb2O3）等。 压电式换能器的主要特点是电声转换效率高，特别是接收灵敏度高，但其机械强度较低（脆性大），因而在大功率应用上受到限制（不过目前的最新技术已能 达到数百瓦到上千瓦的声辐射功率）。此外，某些单晶材料容易溶于水而失效（水解）。 2.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-超声波。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，由于趋肤效应的影响会使透入深度受到限制，因此这种磁致伸缩效应所波及的范围仅限于材料表面。在产生超声波时，超 声波的强弱取决于材料表层交变磁场的强度，此外，传声介质与材料表面接触的紧密程度（声耦合）也极为重要。 常用于磁致伸缩式换能器的材料有金属镍、金属钴、铁钴合金、铁镍合金、镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等。 3.电动式换能器 这是一种把电能转换成机械能，或把机械能转换为电能的装置，其结构如图1.1所示，与膜片相连的圆筒上有细漆包线缠绕的线圈即音圈，该圆筒套在中心磁 导体上。
超声波换能器原理
图1.2 电磁式换能器基本结构示意图 在发射声波的状态下，通以交变电流的励磁线圈将产生交变磁场，由于衔铁上的磁通量发生变化，从而对衔铁产生交变的电磁作用力，即带动振动膜片发生振 动并推动相邻的传声介质而发射声波。 在接收声波时，与衔铁相连的振动膜片受声波（声压）作用而发生振动，导致衔铁与磁铁间的间隙大小发生交变变化，这将影响到磁路中的磁阻发生交变变 化，于是磁通量发生交变变化，这将使检测线圈两端产生交变的感应电势即可作为输出信号。 常见的电磁式换能器有励磁式扬声器、耳机、拾音器和话筒等，如音响装置中的高音扬声器。 5.电磁-声换能器（又称涡流-声换能器）：利用电动力学法在导电金属中产生超声波的装置，其基本结构如图1.3所示。
超声波换能器
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。
电容式超声波换能器工作原理
电容式超声波换能器工作原理
电容式超声波换能器是一种常见的超声波传感器，它利用电容的变化来测量距离或检测物体。
其工作原理如下：
1. 发射超声波，电容式超声波换能器内部包含一个压电陶瓷晶片，当施加电压时，压电陶瓷晶片会振动产生超声波。
这些超声波以固定频率发射出去。
2. 超声波传播，发射的超声波在空气中传播，当遇到物体时会发生反射。
传感器接收到反射的超声波信号。
3. 接收反射信号，传感器内部的压电陶瓷晶片也可以作为接收器，它会接收到反射的超声波信号并将其转化为电信号。
4. 电容变化，当超声波发射和接收之间的时间间隔可以通过测量电信号的时间延迟来计算出，根据声波的速度和时间延迟可以计算出物体与传感器的距离。
这个距离信息会导致电容式超声波换能器内部的电容值发生变化。
5. 电容测量，传感器内部的电路会测量电容的变化，并将其转
化为距离信息输出。
总的来说，电容式超声波换能器利用超声波的发射和接收来测
量物体与传感器之间的距离，通过测量电容的变化来输出距离信息。
这种工作原理使得电容式超声波换能器在测距和物体检测方面有着
广泛的应用，例如在自动驾驶汽车、工业自动化、智能家居等领域
都有着重要的作用。
超声波换能器原理
超声波换能器原理§1.1 换能器的用途和基本原理一.换能器的广义概念用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。
例如：把音频电信号转换成可闻声，或者把可闻声转换成音频电信号，实现电能与声能相互转换的电声换能器，如扬声器（喇叭）、耳机、话筒等；实现电能与磁能相互转换的电磁换能器，如通以电流而可以产生磁场力的电磁铁，又如录音磁头可以把音频电信号转换成磁信号而记录到磁带上，或者把磁带上的磁信号转换成音频电信号，然后经放大处理，再由电声换能器转换成可闻声。
实现电能与机械能相互转换的机电换能器，如电动机是输入电流产生磁场力，然后推动电枢转动，而发电机则因电枢转动并通过磁场作用而产生电流。
又如电唱机的拾音头，唱针沿唱片沟纹槽移动而产生音频机械振动并转换输出音频电信号，经放大处理后再由电声换能器转换成可闻声。
实现电能与光能相互转换的光电换能器如白炽灯泡、太阳能蓄电池（光电池）、光电二极管等电激发光器件。
此外，还有实现电能与化学能相互转换的器件，如蓄电池放电时是把化学能转变为电能，而它在充电时则又将电能转换为化学能。
实现电能与热能相互转换的器件就更多了，如电炉、电烤箱、电饭煲、电炒锅、电热杯、电热毯、电热梳、电烙铁、电熨斗等是由电能单向转换为热能的器件，而热电偶则是由热能转换为电能的器件，家用电器中新兴的电磁灶，是由电能激励的磁场作用在金属器皿上形成涡电流而使金属器皿发热，微波炉是由电能激发出微波（电磁能）再进一步使食物发热...总而言之，能够起到转换能量形式的器件种类繁多并且还会不断有新的类型出现，从广义上讲，可以笼统地把它们都称为换能器。
但是，在检测技术中所讲的换能器是有着特定的定义的，也就是本教材所要阐述的换能器。
二.换能器的标准定义在工程检测技术中所讲的换能器，是特指能够从一个系统接收信号而向另一系统输出信号，接收信号与输出信号属于不同的能量形式，但输出信号能表现输入信号某些特征的器件。
超声波换能器 结构
超声波换能器结构超声波换能器是一种将电能转换为超声波能量的装置。
它由压电材料和金属薄膜构成，具有结构简单、体积小、重量轻、输出能量高等特点。
超声波换能器广泛应用于医学、工业、军事等领域，成为现代科技发展中不可或缺的一部分。
超声波换能器的结构主要包括压电材料和金属薄膜两部分。
压电材料通常采用压电陶瓷或压电晶体，如PZT陶瓷或LiNbO3晶体。
这些材料具有压电效应，即在受到外力作用时能够产生电荷分布的变化，从而实现电能到机械能的转换。
金属薄膜是超声波换能器的另一个重要组成部分，其作用是将压电材料产生的机械振动转化为超声波能量输出。
金属薄膜通常采用铝或铜等导电材料制成，具有良好的导电性和机械性能。
在超声波换能器中，金属薄膜的一端与压电材料相连接，另一端则与外部电路相连。
超声波换能器的工作原理是利用压电效应和金属薄膜的振动特性来实现能量转换。
当外加电压施加到压电材料上时，压电材料会发生机械振动。
这种振动通过金属薄膜传递到工作介质中，产生超声波能量输出。
超声波换能器的输出频率和能量可以通过控制施加在压电材料上的电压来调节。
一般来说，施加在压电材料上的电压越大，压电材料的振动幅度就越大，输出的超声波频率和能量也就越高。
因此，通过调节施加在压电材料上的电压，可以实现对超声波换能器输出的频率和能量的控制。
超声波换能器在医学领域中有着广泛的应用。
例如，它可以用于超声影像技术中的传感器和探头，用于检测人体内部的器官和组织。
此外，超声波换能器还可以用于超声刀、超声清洗器等医疗设备中。
在工业领域中，超声波换能器可以用于测厚仪、超声焊接、超声清洗等领域。
在军事领域中，超声波换能器可以用于声纳系统、超声波通讯等应用。
超声波换能器是一种将电能转换为超声波能量的装置。
其结构简单，但具有重要的应用价值。
通过控制施加在压电材料上的电压，可以实现对超声波输出频率和能量的控制。
超声波换能器在医学、工业、军事等领域都有着广泛的应用，为现代科技的发展做出了重要贡献。
超声波换能器结构
超声波换能器结构1. 引言超声波换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置，广泛应用于医学、工业、军事等领域。
其结构设计直接影响了换能器的性能和效果。
本文将详细介绍超声波换能器的结构及其相关知识。
2. 超声波换能器的基本原理超声波换能器是基于压电效应工作的，压电材料在受到外界电场激励时会发生形变，从而产生机械振动。
当交变电压施加到压电材料上时，会使其产生高频振动，从而产生超声波。
3. 超声波换能器的结构超声波换能器一般由以下几个部分组成：3.1 压电材料压电材料是超声波换能器中最关键的部分，它负责将电信号转化为机械振动。
常用的压电材料有石英、锆钛酸铅等。
3.2 声头声头是超声波换能器中与被测介质直接接触的部分，它负责将机械振动转化为超声波能量并传递到被测介质中。
声头一般由金属材料制成，如铝合金、不锈钢等。
3.3 驱动电极驱动电极是超声波换能器中与压电材料直接接触的部分，它通过施加交变电压来激励压电材料产生振动。
驱动电极通常由导电材料制成，如银、铜等。
3.4 后盖后盖是超声波换能器的封装部分，起到保护内部结构和固定各部件的作用。
后盖通常由塑料或金属制成。
4. 超声波换能器的工作过程超声波换能器的工作过程可以分为两个阶段：发射和接收。
4.1 发射在发射阶段，驱动电极施加交变电压，激励压电材料产生机械振动。
这种振动通过声头传递到被测介质中，并形成超声波。
超声波在被测介质中传播并与介质相互作用，从而产生回波。
4.2 接收在接收阶段，声头接收到回波信号，并将其转化为机械振动。
这种振动通过压电材料传递到驱动电极上，产生电信号。
通过对这个电信号进行放大和处理，可以得到被测介质的相关信息。
5. 超声波换能器的应用超声波换能器广泛应用于医学、工业、军事等领域。
在医学领域，它被用于超声影像、超声治疗等；在工业领域，它被用于无损检测、清洗等；在军事领域，它被用于水下通信、探测等。
6. 结论超声波换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置，其结构设计直接影响了换能器的性能和效果。
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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 ⑴
10kHz 因声波发射器］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 RR 发射超声波信号大于 8m 。
40kHZ 超声波发射电路 ⑵
1615?
F
100
— ^500
T40-16
40kHz 趙声波发射器（
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
16 510
VT(
9013
氓4148
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
反馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ± 2kH乙频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16作为换能器发出40kHZ的超声波信号。
电感L1与电容C2调谐在40kHZ起作谐振作
岬亠
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用。
本电路适应电压较宽（3~12V）,且频率不变。
电感采用固定式，电感量 5.1mH。
整机工作电流约25mA发射超声波信号大于8m 40kHZ超声波发射电路⑷
40kHZ超声波发射电路之四，它主要由四与非门电路CC4011完成振荡及驱动功能，通过超声换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。
其中门YF1与门YF2组成可控振荡器，当S 按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡频率，应为40kHZ。
振荡信号分别控制由YF4、YF3组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4 —定输出低电平；YF3输出低电平时，
YF4输出高电平。
此电平控制T40-16换能器发出40kHZ超声波。
电路中YF1~YF4采用高速CMO电路74HC00四与非门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA，效率高等。
电路工作电压9V,工作电流大于35mA发射超声波信号大于10mo
40kHZ超声波发射电路（5）
40kt«声K&raora
40kHZ超声波发射电路之五，由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。
由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。
电路简单易制。
电路工作电压9V,工作电流40~50mA发射超声波信号大于8m LM555可用NE555直接替代，效果一样。
双稳态超声波接收机电路
由于单稳态接收机无记忆功能，所以不能用在家用电器的开与关中，适用面不宽。
是一
种双稳态超声波接收机电路，它的前级电路同图2-186电路完全一样，只是执行电路不同。
电路中，由VT5 VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机
工作一次），触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5 VT6状态翻转一次，
当VT6从截止状态转变成导通状态时，VD5截止，VT7截止，继电器K释放；当再来一个触
发信号时，VT6由导通转变为截止状态，VD5导通，VT7导通，继电器K吸合…… 由于增
加了双稳电路，使之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。
调试时，在a点与+6V（电源）之间用导线快速短路一下后松开，继电器应吸合（或释放），再短路一下松开，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参数。
一般情况下一次即可成功。
单稳式超声波接收器电路
510k
耳'協Aiea尸保毎快命廿
单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ,经R40-16选频
后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1~VT3 组成的高通放大器放大，经C5 VD1检出直流分量，控制VT4 VT5组成的电子开关带动继电器K工作。
由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。
可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。
电路中VT13> 200, VT23> 150,其他
元件自定。
电路不需调试即可工作。
如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的3值与电容
C4的容量是否偏差太大。
经实测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上。
在室内因墙壁反射，故没有方向性。
电路工作电压3V,静态电流小于10mA。