换能器技术 PPT
合集下载
换能器技术PPT课件
能器
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料
（Terfenol-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
有限元分析软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 科学计算软件 Matlab等，进行数值运计算。 工程制图软件 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换பைடு நூலகம்器 弯张换能器
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料
（Terfenol-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
有限元分析软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 科学计算软件 Matlab等，进行数值运计算。 工程制图软件 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换பைடு நூலகம்器 弯张换能器
换能器技术概述
换→转换；能→能量；器→器件 通俗的讲：转换能量的器件 我们关注的是电能和声能间的相互转换： 能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量与电的信息和
能量转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。
2.换能器如何实现换能
换能材料，也叫功能材料、有源材料——受交变电场/磁场激励产
生伸缩应变
正向压电效应
各种工艺（预应力施加、粘接、灌封、装配等）在换能器 制作中是关键一环。某种意义上，“做换能器是个手艺活 儿。”
SL=170.8+10logPa+DI
b.直接决定声信号传播距离和回波信号强度 声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀
（4）发射电压响应级（ Transmitting Voltage Response,单位：dB） a.体现换能器自身的声辐射潜力 b.计算公式： TVR=20log(P.d/V)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dB
fr
1 2
1 M a Ca
利用液腔谐振，实现小体积、低频发射 液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔谐振等）一起使用，可实 现宽带 溢流结构，几乎不受工作深度限制 工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的Helmholtz腔体结构
Multiport Helmhotz transducer
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
能量转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。
2.换能器如何实现换能
换能材料，也叫功能材料、有源材料——受交变电场/磁场激励产
生伸缩应变
正向压电效应
各种工艺（预应力施加、粘接、灌封、装配等）在换能器 制作中是关键一环。某种意义上，“做换能器是个手艺活 儿。”
SL=170.8+10logPa+DI
b.直接决定声信号传播距离和回波信号强度 声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀
（4）发射电压响应级（ Transmitting Voltage Response,单位：dB） a.体现换能器自身的声辐射潜力 b.计算公式： TVR=20log(P.d/V)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dB
fr
1 2
1 M a Ca
利用液腔谐振，实现小体积、低频发射 液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔谐振等）一起使用，可实 现宽带 溢流结构，几乎不受工作深度限制 工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的Helmholtz腔体结构
Multiport Helmhotz transducer
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
压电陶瓷换能器
简介
超声技术是一种广泛使用的无损检测技术，它以声学理论为基础，不断应用于电子、通信、医学、生物及物 理领域。在现代检测技术中，利用超声技术研制的换能器以其灵敏度高、精度高等优点正在越来越受到人们的。
检测过程中常用的换能器有:压电式换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。最常用的是压电 换能器，它的核心部件就是压电晶片。压电晶片可以在压力的作用下发生形变，从而导致晶片本身发生极化，在 晶片表面出现正负束缚电荷，此效应为压电效应。并且，压电效应具有可逆性，即对晶片施加电压后会发生形变。 在检测过程中，利用超声探头的逆压电效应可以产生超声波，利用压电效应达到接收超声波的目的。
应用
由于超声技术的非接触性等优点，尝试把压电陶瓷超声换能器应用在液体浓度检测系统当中。系统中的芯片 采用的是Spartan 3E系列FPGA。压电陶瓷换能器在其中担当着发射信号和接收信号的重要功能。把换能器产生的 一定频率和幅值的超声信号通过发射电路打入液体内部，经过液体对信号的衰减，从接收换能器端可以接收到带 有液体浓度信息的信号。再通过声衰减法的分析，有效得出液体的近似浓度。系统的软件设计包括主程序，超声 测量程序，脉冲控制程序，脉冲收发程序，ADC采集控制程序以及时钟和报警程序。
压电材料的选择
压电换能器材料的主要性能参数有： (1)压电应变常数 表示当压电晶体受到外界的单位电压时，所产生的应变大小。 (2)压电电压常数 表示当压电晶体上受到外界单位应力时，所产生的电压梯度大小。这两个参数是衡量压电晶体材料发射性能 的重要参数，参数越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。 (3)频率常数 压电晶片的固有频率和其厚度乘积是一个常数，称为频率常数N，由此看出晶片厚度与谐振频率成反比，而超 声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速 。
换能器技术ppt课件
9
复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
10
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
11
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
4
3.换能器为什么要成阵
为实现或增强某些电声性能（指向性、作用距离），将多个换能器按一 定规律和形状排列起来，形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。
按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、线阵、共形阵
平面阵
圆柱阵
拖曳线列阵
球形阵
5
共形阵
10
9
48
9
495
几种常见发射换能器
几种常见水听器
7
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
1940s，较 强压电性能
1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换
能器
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料
（Terfenol-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
10
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
11
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
4
3.换能器为什么要成阵
为实现或增强某些电声性能（指向性、作用距离），将多个换能器按一 定规律和形状排列起来，形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。
按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、线阵、共形阵
平面阵
圆柱阵
拖曳线列阵
球形阵
5
共形阵
10
9
48
9
495
几种常见发射换能器
几种常见水听器
7
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
1940s，较 强压电性能
1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换
能器
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料
（Terfenol-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
常用压电陶瓷发射换能器
通过正向压电效应转换的电能
输入的机械能
机电耦合系数是在理想状态下定义的，在理想状态下未 转换的能量不是损耗掉，而是以弹性方式或介电方式储 存起来。
(2)有效机电耦合系数
——无损耗、无负载的压电振子在机械谐 振时储存的机械能与储存的全部能量之比 的平方根。
ke2ff
W122 W1W2
W12 耦合能 W1 电能 W2 机械能
机械端等效图 电端等效图
机电等效图
换能器参数
第三节 压电圆管的径向振动
极化方式
径向极化 振动模式
厚度极化
切向极化
径向极化压电陶瓷圆管
内半径r1，外半径r2，平均半径 a=(r1+r2)/2 高度为h，厚度为 t=r2-r1 要求：薄壁、短圆管。目的是为了减少耦合，使位移一致。
a>>t a>h
一、压电方程的确定
M
du dt
Rmu
udt F (t)
Cm
L dI RI Idt V (t)
dt
C
力学量 力F 振速ù 位移u
质量M 机械阻Rm 柔顺系数Cm
电学量 电压V 电流I 电量q 电感L 电阻R 电容C
q Idt u udt
4. 等效电路法
第二节 结束
将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论 可以得到它的机械振动方程；根据电路的规律可以得到电 路状态方程；根据压电方程和机电类比可以建立换能器的 机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等 效图求得。
换能器技术课程
第二章 常用压电陶瓷发射换能器
第一节 发射换能器的性能指标 第二节 等效电路法 第三节 压电圆管的径向振动 第四节 压电圆片的厚度振动 第五节 其它常用发射换能器
超声换能器
2、发射效率 1）、机电效率 将电能转换成机械能的效率。
me
pm pe
Pm－机械系统所获得的全部有功功率； Pe－输入换能器的总的信号电功率；
2）、机声效率 将机械能转换成声能的效率。
ma
pa pm
Pa－发射声功率； Pm－机械振动系统所获得的有功功率；
3）、电声效率 将电能转换成声能的效率。
ea
接收换能器： 频带宽、较高的灵敏度。
压电换能器的特点： 机电转换效率高，容易成型，造价低。
发射、接收换能器共同要求的性能指标 1、工作频率 发射换能器的工作频率等于它的谐振频率。可
得到最大发射功率和效率。 主动式超声换能器在接收状态下的工作频率与
发射状态下的工作频率近似相等，而被动式接收 换能器的工作频率是一个较宽的频带，同时换能 器自身的谐振基频高于频带的最高频率。
超声学是一门综合性技术学科，属于声学的一个 分支。已广泛应用于各领域（工业、农业、军事、 医学、航空、生物等）。
超声学主要研究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问题。
超声物理和超声工程是超声学的两个主要分支。超声 物理是超声工程的基础，它为超声工程提供必须的理论及 实验依据。超声工程包括各种超声应用技术中超声波的产 生、传输、接收系统的工程设计及工艺研究。
接收换能器机电耦合系数k
k2
电磁系统因电效应获得的交变电磁能 机械系统因声场信号作用而储存的交变机械能
3、品质因数Q 其Q与工作频带宽度、传输能量效率有关。
4、方向性
5、频率特性 指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的
特性。
发射换能器的要求 1、发射声功率
单位时间内向声场辐射声能多少的物理量。 与工作频率有关。在谐振频率下可获得最大发 射声功率。
%E7%AC%AC%E4%B8%80%E7%AB%A0%20%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8C%BB%E5%AD%A6%E4%BF%A1%E5%8F%B7%E6%A3%80%E6%B5%
•
图1-1 生物换能器的原理图 • • 按所使用敏感基元的不同，生物换能器可分为酶
传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感 器和免疫传感器等。 生物换能器中所使用的能量转换器与传统的转 换器并没有本质的区别。 此外，按输出电信号的不同，生物换能器还 可分为电位型生物换能器、电流型生物换能器和 伏安型生物换能器。
第一节 生物医学传感器简介
• （Introduction to Biomedical transducer） transducer）
• 人体的生物电信号如脑电和心电等可以通过电极采用一定
•
的导联方式获取，非电量生物医学信号则必须使用各种换 能器将其变换为电信号后方可获取。不对人体施加任何刺 激，获取到的信号是自发信号；施加一定刺激后，得到的 是诱发信号。 非电量生理信号按其能量方式，可以分为：①机械量 信号，如脉搏和心音是振动信号，血压是压力信号等；② 热学量信号，如体温等；③化学量信号，如血液的pH值等； 热学量信号，如体温等；③化学量信号，如血液的pH值等； pH ④光学量信号，如血氧饱和度等。对不同类型的信号，所 用换能器的换能原理不同，一般医学换能器的换能方式有 压电效应、热效应、光电效应及阻抗变化和电化学效应等。 换能器的主要性能指标有：安全性、线性、频响或传递函 数、精度（幅度分辨率）、准确度（测量误差范围）和稳 定性等，生物医学换能器是生物医学工程中的一个专门研 究领域，有许多专著对此有详细介绍。常用生物医学换能 器按使用方式分有以下几类。
如果放大器的输入阻抗不够高（与源阻抗相比），则造 成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。电极阻抗还 随电极中电流密度的大小而变化。小面积电极（如脑电测量 的头皮电极，眼电测量的接触电极）在信号幅度变化时，电 极电流密度变化比较明显，相应的电极阻抗会随信号幅度的 变化而不同，即低幅度信号的电流密度小，电极阻抗大。如 果人体是在运动的情况下，电极和皮肤接触压力有变化，人 体组织液和导电膏中的离子浓度也有变化，都会导致电信号 在放大器输入端产生极大的干扰。表1 在放大器输入端产生极大的干扰。表1-1是部分生物电放大器 的输入阻抗指标。 用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗高达109 用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗高达109 量级。此外，放大器高输入阻抗也是高共模抑制比的必要条 件。 表1-1 部分生物电放大器的输入阻抗指标
第二章 常用压电陶瓷发射换能器
电流响应基准值
6．声源级
——在声场中指定方向上，距发射器等效声中 心1米远处所产生的球面波自由场声压对应平 面行波的声强级。
I (1) p(1) SL 10 log 20 log I ref pref pref 1Pa
声源级与发射电压响应级对比
dθ dz a
dθ 2 dθ
T1 P
在圆管上取微元
微元厚度为t，高度为dz，平均弧长 a d 则应力T1沿r方向的分量为
T1
d 2T1 sin T1d 2
圆管的外表面有负载，单位面积作用力为P，微元密度为 ，沿r方向的加速度为 2u r ，依据牛 2 t 顿第二定律，圆管的径向振动方程为 体积为
电压响应基准值
( S v ) 0 1Pa / V 106 Pa / V
发射电流响应级
Si SiL 20 log 20 log Si 20 log(Si ) 0 ( Si ) 0 20 log Si 120 ( Si ) 0 1Pa / A 106 Pa / A
效图求得。
机械端等效图 机电等效图 电端等效图 换能器参数
第三节 压电圆管的径向振动
极化方式
径向极化 振动模式
厚度极化
切向极化
径向极化压电陶瓷圆管
内半径r1，外半径r2，平均半径 a=(r1+r2)/2 高度为h，厚度为 t=r2-r1 要求：薄壁、短圆管。目的是为了减少耦合，使位移一致。 a>>t a>h
将其代入波动方程
波动方程两边对r在r1→r2区间积分，再乘以 2ah
r2 2hd31 r2 1 2ah r2 2 E3dr 2ah( E 2 )ur dr p dr E r1 r1 s11 r1 s11a t
超声-第4讲 超声换能器及声场
28
对于远场，r >> ρ
p(,r,t)k2 cZ vmcots r('k' r2)dd
可以近似取
rr2 2 2 rs ic n o r s s ic n os
分母中可取 r’ = r
2019/8/1
医学超声诊断设备
29
整理可得
p (,r ,t)R 2kc v Z m co t s k ( r)2 [ J 1 (ksR i)] n
随着技术的进步，到80年代中期，机械扇扫超声 换能器的产品性能日趋改善，重量可以做到0.2kg 以下，扫描帧频约30帧/s，扫描角度达85°，而 且扫描线的均匀性也大大改善。这不仅给操作使 用带来了方便，而且使机械扇扫超声影像的质量 获得明显的提高。
2019/8/1
医学超声诊断设备
42
机械扇扫探头除换能器声学特性的基本要 求之外，还应满足以下要求：
它主要由6部分组成：开关控制器、阻尼垫9/8/1
医学超声诊断设备
45
开关控制器
用于控制探头中各振元按一定组合方式工作， 若采用直接激励，则每一个振元需要一条信号 线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加 到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不 仅使工艺复杂，因此而增加的探头和电缆的重 量也是不堪设想的。
有体外、体内、穿刺活检探头；
③按探头中换能器所用振元数目分类：
单元探头、多元探头；
④ 按波束控制方式分类：
线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头等；
⑤按探头的几何形状分类(这是一种惯用的分类方法)：
则有矩形探头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。
2019/8/1
医学超声诊断设备
换能器的工作原理
换能器的工作原理
换能器是一种能将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。
在现代科技中，换能器被广泛应用于各种领域，比如声音、电能、
热能等的转换。
换能器的工作原理是基于能量守恒定律和能量转换
的物理原理，通过特定的结构和材料来实现能量的转换。
首先，我们来看声能到电能的转换。
声能到电能的转换是通过
压电效应实现的。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生
电荷分布的变化，从而产生电压。
换能器中使用的压电材料会在声
波作用下产生机械振动，振动会导致晶体内部的正负电荷分布发生
变化，从而产生电压信号。
这样就实现了声能到电能的转换。
其次，电能到声能的转换是通过电磁感应原理实现的。
在换能
器中，电磁感应原理被应用于电能到声能的转换。
当电流通过导线时，会产生磁场，而当磁场与导体相互作用时，会产生力，导致导
体振动，从而产生声音。
这就是电能到声能的转换原理。
此外，换能器还可以实现热能到电能的转换。
热电效应是指在
两种不同温度的导体接触处，由于温差的作用而产生电压。
这种效
应被应用于热能到电能的转换中。
当换能器的一侧受到热能输入时，
另一侧则保持较低温度，由于温差的存在，就会产生电压信号，从而实现热能到电能的转换。
总的来说，换能器的工作原理是基于不同物理效应的应用，通过特定的结构和材料来实现能量的转换。
无论是声能到电能、电能到声能还是热能到电能的转换，都是基于物理原理的工作。
换能器在现代科技中有着广泛的应用，为各种领域的能量转换提供了重要的技术支持。
7-8课时换能器34页PPT
医 用超声诊断 仪
五、 医用超声诊断换能器基本结构 换能器基本结构一般分三类
基本 单元 换能 器
基本 多元 换能 器
基本 聚焦 换能 器
医 用超声诊断 仪
单元压电换能器
主体部为功能部分
接收人体的 发射超声波
超声回波
作用于人体
外壳就是换 能器与超声 仪器主机连 接部分
医用B型的换能器为收发合一，发射超声能 量在 20mw/cm2 以下
一、换能器的功能
医 用超声诊断 仪
超声成像首先是要产生超声波信号和 接收超声波信号，完成这个任务的器 件就是超声换能器，常称为超声探头 （简称探头）。
医 用超声诊断 仪
将高频电能转换成 机械振荡的超声波 声能，形成超声场
向人体被测部位定 向辐射，同时又将 被测部位产生的各 种反射和散射回波 声能转变成可检测 的电能信号。
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。
医 用超声诊断 仪
压电振子的的等效电路
压电 振子
被覆激励电 极的压电体
可逆的机电换能系统
正压效应和逆压效应
电路
机械
两个系统组成的机电耦合系统
以压电振子的等效电路来分析处理力、声、电 综合系统变为简单化，所以压电振子的的等效 电路是设计制造超声换能器的主要方法。
诊断超声换能器既是超声诊断仪器的电/ 声转换的超声波发射传感器件，是声/电 转换的超声波接收传感器件
医 用超声诊断 仪
双 发射超声波
向
功
能
接收超声波
声、电 可逆变 换器件
是 医用超声诊断仪成像的重要部件
医 用超声诊断 仪
二、压电效应
1880 年法国物理学家居里兄弟将砝码分别放在 石英等晶体上，用静电计测量这些晶体表面， 发现晶体表面电荷与所加砝码的重量成正比。 居里兄弟进行试验又证明存在逆压电效应。
换能器
换能器
电能和声能相互转换的器件
01 产品简介
03 性能参数
目录
02 分类 04 应用
基本信息
换能器，是指电能和声能相互转换的器件。在回声测深仪、多普勒计程仪和声相关计程仪中使用。将电能转 换成声能的称为发射换能器;将声能转换成电能的是接收换能器。发射和接收换能器通常是分开使用的，但也可以 共用一个。换能器的主要性能指标有：工作频率、频带宽度、电声频度、谐振频率时的阻抗、指向性（发射波束 宽度）和灵敏度等。按物理特性和使用材料的不同，换能器可分为两类:磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。前者 应用铁磁材料的磁致伸缩效应，常由镍或镍铁合金制成;后者应用电致伸缩效应和压电效应，常由钛酸钡陶瓷和铣 钛酸铅陶瓷等介质电材料制成。换能器安装于船底，其指向性可用波束宽度或半扩散角来表征。
应用
磁致伸缩
压电晶体
磁致伸缩
磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。
压电晶体
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。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老 化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 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。
产品简介
产品简介
换能器主要有磁致伸缩和压电晶体两大类。
分类
1
元件形状
2
振动模式
3
振动方向
4
压电转换方式
5
传播介质
元件形状
按组成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;
振动模式
按振动模式分为伸缩振动,弯曲振动,扭转分为厚度,切向,纵向,径向等;
电能和声能相互转换的器件
01 产品简介
03 性能参数
目录
02 分类 04 应用
基本信息
换能器，是指电能和声能相互转换的器件。在回声测深仪、多普勒计程仪和声相关计程仪中使用。将电能转 换成声能的称为发射换能器;将声能转换成电能的是接收换能器。发射和接收换能器通常是分开使用的，但也可以 共用一个。换能器的主要性能指标有：工作频率、频带宽度、电声频度、谐振频率时的阻抗、指向性（发射波束 宽度）和灵敏度等。按物理特性和使用材料的不同，换能器可分为两类:磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。前者 应用铁磁材料的磁致伸缩效应，常由镍或镍铁合金制成;后者应用电致伸缩效应和压电效应，常由钛酸钡陶瓷和铣 钛酸铅陶瓷等介质电材料制成。换能器安装于船底，其指向性可用波束宽度或半扩散角来表征。
应用
磁致伸缩
压电晶体
磁致伸缩
磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。
压电晶体
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。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老 化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 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。
产品简介
产品简介
换能器主要有磁致伸缩和压电晶体两大类。
分类
1
元件形状
2
振动模式
3
振动方向
4
压电转换方式
5
传播介质
元件形状
按组成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;
振动模式
按振动模式分为伸缩振动,弯曲振动,扭转分为厚度,切向,纵向,径向等;
8 医学超声原理-第八讲---超声换能器
Shanghai Jiao Tong University
Transcranial Doppler (TCD) 经颅超声多普勒 探头
Shanghai Jiao Tong University
What is ultrasound transducer？
Ultrasonic sensors (also known as tranceivers when they both send and receive) work on a principle similar to radar or sonar which evaluate attributes of a target by interpreting the echoes from radio or sound waves respectively. Ultrasonic sensors generate high frequency sound waves and evaluate the echo which is received back by the sensor. Sensors calculate the time interval between sending the signal and receiving the echo to determine the distance to an object.
29university四超声换能器的特性四超声换能器的特性换能器的机电耦合系数是描述它在能量转换过程中能量相互耦合程度的一个物理量其定义为对于发射换能器对于发射换能器对于接收换能器对于接收换能器2315k电磁系统因电效应而获得的交变电磁能机械系统因声场信号作用而储存的交变式机械能2314k机械系统因力效应而获得的交变机械能电磁系统所储存的交变电磁式能shanghaijiaotonguniversity四超声换能器的特性四超声换能器的特性3
超声波测试培训教材——换能器
最常用的压电材料是石英．酒石碳酸纳、锆钛酸 铅（PZT）、偏妮酸铅等，压电体的形状有圆管 形、环形、复合片形、半球壳形等
二、换能器的主要技术指标
1．工作频率 － 发射换能器的谐振频率 ．
宽频带换能器 短余振 • 常用换能器频率为20K～200kHz
2．指向性 ．
• ① 指向性意义 指向性意义：发射换能器指向性： 定向辐射声能在不同方向 的分布状况 • 接收换能器指向性： 接收灵敏度随声波入射方向而的变化的特 性 λ −1 • ② 指向角： θ = 2 Sin 1.22 指向角： D • • 指向角 θ ：与波长 λ有关，λ 越大，θ 越大，指向性越差 • 与幅射面线度D有关，D越大， 越小，指向性越好 θ λ • 例：常用的砼平面换能器：D＝4～5cm，＝8cm θ ≈1000 •
θ ／2≈500
指向性不好
平面换能器 指向性
圆管型换能器 指向性
3．首次波比： ．首次波比：
• 首波波幅A1与次波波幅A2之比
A1 η = A2
• 期望η接近于1，以利于首波的判读，一般η=0.25
三、换能器的类型
•பைடு நூலகம்
• 纵波换能器 换能器 横波换能器 • 平面换能器 增压式换能器 径向换能器 一发双收（多收） 斜入式 直入式
• 考虑对声波的衰减程度：砼质量越差，强度越低， 龄期越短，对声波的衰减越大，使用频率越低
测距（cm） 10~20 20~100 100~300 300~500 ＞50
选用换能器频率(KHZ) 100~200 50~100 50 30~50 20
最小横截面尺寸（cm) 10 20 20 30 50
• 考虑测试精度：在满足首波幅度测读精度条件下， 选用较高频率换能器。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
绪论——水声换能器分类、应用及分析设计方法 桑永杰
为什么要学习认识换能器？
主动声呐方程：（混响背景） （SL-2TL+TS）-RL＝DT
SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。 提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号 强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。
1.什么叫换能器 换→转换；能→能量；器→器件 通俗的讲：转换能量的器件
◆ Helmholtz换能器
fr
1
2
1 MaCa
利用液腔谐振，实现小体积、低频发射
液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔 谐振等）一起使用，可实现宽带
溢流结构，几乎不受工作深度限制
工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传 统的Helmholtz腔体结构
Multiport Helmhotz transducer Janus Helmhotz transducer
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
能器
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料 （Terfenol-
弛豫铁电单晶 （PMN－PT 和PZN—PT ）
D）
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
10
复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
UW600
SL:（max）188dB 频带：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐压：200m
哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制的 甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz
性能指标及结构特点
◆ 工作频带： 5Hz- 1kHz
◆ 声源级：160dB ◆ 工作深度：0-50米◆ 结构尺寸：
外径 ø206mm， 高度580mm ◆ 重量： 25kg ◆ 耐海水腐蚀金属涂 层(盐雾试验可以达到 800小时)
几种常见水听器
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1940s，较 强压电性能
1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换
3
9
2.中频基阵 6.都卜勒测速仪基阵 9.测深（防碰）基阵
6
3.舷侧阵 7.被动测距基阵 10. 拖曳线列阵
2 4.侦察阵
水声换能器基阵在潜艇上应用实例
4.水声换能器的分类
A. 按照工作方式分
发射换能器（transducer/projector） 接收换能器（水听器，hydrophone）
几种常见发射换能器
◆ 其他换能器结构
开缝圆管换能器
空气动力型换能器
组合式换能器
当今水声换能器朝着低频、大功率、宽带、小体积、高耐静水压方向 发展，实现低频宽带的机理和结构成为人们探求的热点。
实现宽带的机理：利用多模态耦合、改善激励方式、增加匹配层等
实现低频的结构：利用低频模态、利用液腔谐振、采用电动（磁）式等。
不同类型换能器性能对比
为实现或增强某些电声性能（指向性、作用 距离），将多个换能器按一定规律和形状排列起来， 形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。
按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、
线阵、共形阵
平面阵
圆柱阵
球形阵
拖曳线列阵
共形阵
10
9
48
9
4 95
1
7
1.艇艏圆柱阵（收、发共用） 5. 声速梯度仪基阵 8.鱼雷报警基阵
◆ 电动式换能器
输出力：F=BIL
电动式换能器的优点： (1)频率低，可做到几赫兹 (2)非谐振结构，易实现宽带 (2)体积小、重量轻
电动式换能器的缺点： (1)效率低，通常不足1%，声源级低 (2)波形差，易受工作环境影响 (2)工作深度不足
UW350
SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m
水声换能器的分析设计方法
◆等效电路法 将换能器看为做机械振动的弹性体，利用机电类比，
给出换能器的动态电路图。由电路图计算出换能器的电 声性能。
换能器等效电路图
压电陶瓷的径向及厚度振动
压电陶瓷圆管的径向振动
优点：物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关。 缺点：通常只能做一维分析，仅适合于简单结构的换能器。
◆有限元法 有限元法是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分
析模型想象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将 单元内部点的状态用单元节点状态的插值函数来近似描述， 这样就将实际的物理问题转化为求解单元节点状态的代数 方程组问题。
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。 主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验
◆ 圆管换能器
压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。
各种压电陶瓷圆管
镶拼圆管
非溢流圆管换能器
溢流圆管换能器
特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。
我们关注的是电能和声能间的相互转换： 能够发射或接收声波，并完成声波所携带的
信息和能量与电的信息和能量转换的装置，称为电 声换能器，简称换能器。
2.换能器如何实现换能 换能材料，也叫功能材料、有源材料—
—受交变电场/磁场激励产生伸缩应变
正向压电效应
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
3.换能器为什么要成阵
为什么要学习认识换能器？
主动声呐方程：（混响背景） （SL-2TL+TS）-RL＝DT
SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。 提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号 强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。
1.什么叫换能器 换→转换；能→能量；器→器件 通俗的讲：转换能量的器件
◆ Helmholtz换能器
fr
1
2
1 MaCa
利用液腔谐振，实现小体积、低频发射
液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔 谐振等）一起使用，可实现宽带
溢流结构，几乎不受工作深度限制
工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传 统的Helmholtz腔体结构
Multiport Helmhotz transducer Janus Helmhotz transducer
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
能器
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料 （Terfenol-
弛豫铁电单晶 （PMN－PT 和PZN—PT ）
D）
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
10
复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
UW600
SL:（max）188dB 频带：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐压：200m
哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制的 甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz
性能指标及结构特点
◆ 工作频带： 5Hz- 1kHz
◆ 声源级：160dB ◆ 工作深度：0-50米◆ 结构尺寸：
外径 ø206mm， 高度580mm ◆ 重量： 25kg ◆ 耐海水腐蚀金属涂 层(盐雾试验可以达到 800小时)
几种常见水听器
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1940s，较 强压电性能
1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换
3
9
2.中频基阵 6.都卜勒测速仪基阵 9.测深（防碰）基阵
6
3.舷侧阵 7.被动测距基阵 10. 拖曳线列阵
2 4.侦察阵
水声换能器基阵在潜艇上应用实例
4.水声换能器的分类
A. 按照工作方式分
发射换能器（transducer/projector） 接收换能器（水听器，hydrophone）
几种常见发射换能器
◆ 其他换能器结构
开缝圆管换能器
空气动力型换能器
组合式换能器
当今水声换能器朝着低频、大功率、宽带、小体积、高耐静水压方向 发展，实现低频宽带的机理和结构成为人们探求的热点。
实现宽带的机理：利用多模态耦合、改善激励方式、增加匹配层等
实现低频的结构：利用低频模态、利用液腔谐振、采用电动（磁）式等。
不同类型换能器性能对比
为实现或增强某些电声性能（指向性、作用 距离），将多个换能器按一定规律和形状排列起来， 形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。
按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、
线阵、共形阵
平面阵
圆柱阵
球形阵
拖曳线列阵
共形阵
10
9
48
9
4 95
1
7
1.艇艏圆柱阵（收、发共用） 5. 声速梯度仪基阵 8.鱼雷报警基阵
◆ 电动式换能器
输出力：F=BIL
电动式换能器的优点： (1)频率低，可做到几赫兹 (2)非谐振结构，易实现宽带 (2)体积小、重量轻
电动式换能器的缺点： (1)效率低，通常不足1%，声源级低 (2)波形差，易受工作环境影响 (2)工作深度不足
UW350
SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m
水声换能器的分析设计方法
◆等效电路法 将换能器看为做机械振动的弹性体，利用机电类比，
给出换能器的动态电路图。由电路图计算出换能器的电 声性能。
换能器等效电路图
压电陶瓷的径向及厚度振动
压电陶瓷圆管的径向振动
优点：物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关。 缺点：通常只能做一维分析，仅适合于简单结构的换能器。
◆有限元法 有限元法是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分
析模型想象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将 单元内部点的状态用单元节点状态的插值函数来近似描述， 这样就将实际的物理问题转化为求解单元节点状态的代数 方程组问题。
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。 主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验
◆ 圆管换能器
压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。
各种压电陶瓷圆管
镶拼圆管
非溢流圆管换能器
溢流圆管换能器
特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。
我们关注的是电能和声能间的相互转换： 能够发射或接收声波，并完成声波所携带的
信息和能量与电的信息和能量转换的装置，称为电 声换能器，简称换能器。
2.换能器如何实现换能 换能材料，也叫功能材料、有源材料—
—受交变电场/磁场激励产生伸缩应变
正向压电效应
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
3.换能器为什么要成阵