超声换能器电阻抗特性研究
超声水流量检测换能器使用特性及评价指标研究
U p p ( F ) U 时，换能器应能正常工作。
4.3 传播时间的重复性 传播时间（或传播时间差）的重复性可以用来反映被测介质处于静止状态时，两个换能 器之间超声波多次传播时间的一致性，也是较短时间内传播时间离散性的一种定量评定。 传播时间重复性评定公式如下
n
=
或
1 t12or 2 1
为保证换能器装入整机后能正常开展工作， 必须对换能器的使用特性规定相应技术指标 进行评价。 4.1 工作频率 换能器工作频率是其固有谐振频率。 通常收发换能器工作在串联谐振状态， 因此其工作 频率就是它的串联谐振频率。串联谐振频率见下式
FS
式中
1 2 L1C1
（8）
FS —串联谐振频率； L1 —压电元件的动态电感； C1 —压电元件的动态电容。
超声水流量检测换能器使用特性及评价指标研究
姚灵 1，2 王让定 2 左富强 1 王欣欣 1
（1.宁波水表股份有限公司，浙江 宁波 315032 2.宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211）
摘要:超声水流量检测换能器的评价指标是反映其使用特性的一个重要方面。对换能器评价 指标、 评价指标试验方法及试验装置等进行了系统研究； 采用自主研发的全性能试验装置对 超声水流量检测换能器进行了性能和影响量试验， 为换能器的筛选、 配对和质量控制提供了 有效的方法和手段。 关键词：计量学；超声时差测量法；超声水流量检测换能器；检测换能器特性；检测换能器 性能试验装置 中图分类号：TH814.92 文献标识码：A
，
0 引言
超声水流量检测换能器是超声水表、超声热量表及超声流量计等产品的关键核心部件， 也是超声水流量传感器的重要组成部分， 它决定着超声流量仪表的测量准确性与长期工作的 可靠性，因此其在这类仪表中的重要性是不言而喻的[1]。 随着超声流量仪表应用面的拓展及普及率的上升， 超声水流量检测换能器特性评价与试 验方法无据可依或依据不充分的矛盾日见突出[2] [3]。因此系统开展超声水流量换能器使用特 性、评价指标及试验方法等的研究与实践，是确保超声流量仪表产品准确、稳定、可靠工作 的基本保证，也是该类产品能否健康持续发展的关键。
超声压电换能器灵敏度特性研究
探伤灵敏度定 义为 ：在规定频率、增 益和抑 制条件下能探 出最小
缺陷的能力。事实上 ，超声 方法能够检 出缺陷的最小尺寸是被检材料中
超声 波长的一半。
１ ２ 工作 灵敏 度
甜
超声压电换能器 灵敏 度特性研究
高依然 韩 露
（ 渤海装 备研 究 院海 丁 分院 ，辽宁 盘锦 １ ２ ４ ０ １ ０ ）
［ 摘 要】 超声换能器是超声检测系统中的重要组成部分，超声换能器的性能对超声检测的结果有着重要的影响。为了保证枪删结果的一致性 和可靠洼， 在检测前对超声换能器的特性进行测量是越要的。在超声换能器的众多特性参数 中。灵敏度将 建是一个重要的特性参数。本文介
激光超声法测换能器灵敏 度
器的灵敏度特性 ，因此使用脉； 中 回波法校 佳 换能器灵敏度具有快捷、方
便的特点。
比较法测量是与柿 隹 接收器 或柿 隹 声源 比较的一种相对测量 方法 ，
用来测量发射换能器、接收换能器或者其他换能器。 接收器 自由场 灵敏度的比较方法有两种 ．
一
是与柿 佳 接收器比较 ； 另一个是与ห้องสมุดไป่ตู้ 隹 声源比较。
使用中回波法测换能器的灵敏度其测量结果与换能2l互易法测量换能器灵敏度器的声场密切相关灵敏度的幅值随着换能器的声场由近场到远场呈现对于一个线性无源可逆的电声换能器用做接收器时的接收灵增大趋势也就是说在换能器的声场的不同位置测得的灵敏度的值是不敏度与用作发射器b寸丰目应的发送响应之比与换能器本身的结构无关上同的
脉冲回波法校 ； 佳 换能器 灵敏度 ，它 的值与换能器表面到平面反射
超声换能器阻抗和相位测试压电陶瓷
超声换能器(压电陶瓷)的阻抗和相位测试1、超声波换能器，英文名称为Ultrasonic transducer，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。
2、超声波换能器原理- -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。
3、超声波换能器原理- -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)超声波减肥和医疗美容仪器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。
（5）电子血压计，利用超声波换能器接收血管的压力, 当气囊加压紧压血管时, 因外加压力高于血管舒张压力, 超声波换能器感受不到血管的压力; 而当气囊逐渐泄气, 超声波换能器对血管的压力随之减小到某一数值时, 二者的压力达到平衡, 此时超声波换能器就能感受到血管的压力, 该压力即为心脏的收缩压, 通过放大器发出指示信号, 给出血压值。
电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度。
医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是现代医学成像技术的四大医学影像技术,己广泛应用于心脏科、产科、眼科、肝、。
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。
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。
超声换能器的_电感_变压器_阻抗匹配模型研究_韩旭
0 引 言
超声技术在近年来得到高速发展，其应用已经 渗透到生活的各个领域，如航天航空、建筑、无损 [1] 检测、医学成像、超声治疗等 。在超声的研究和 应用中，超声换能器是一种能量转换器件，在谐振 [2] 频率附近等效成电阻和电容串联 ，只有当换能器
收稿日期: 2014-09-22; 修回日期: 2014-12-15 基金项目: 国家自然科学基金项目(11274176 和 11474166)、江苏高校优 势学科建设工程资助项目 作者简介: 韩旭(1989－), 男, 安徽黄山人, 硕士研究生, 研究方向为电 子信息和超声应用系统设计。 通讯作者: 马青玉, E-mail: maqingyu@
Abstract: Based on the analyses of impedance characteristics and matching circuit of ultrasound transducer, it is found that with the traditional inductance capacitance matching circuit, a wide range of reactance variation around the resonant frequency appears and causes the circuit stability and regulatory accuracy reduced. Therefore, a ‘transformer-inductance’ matching model is proposed in this paper. The reactance and resistance can be regulated by the adjustable inductance and transformer to improve the precision and stability of the matching circuit for ultrasonic transducer, and the ideal matching condition and parameter are provided. In experiments, with the controllable transformer and inductance, a matching circuit is developed for an ultrasonic horn transducer with the center frequency of 20.8 kHz. It is proved that the matching circuit has a narrow impedance variation range with high reactance regulatory accuracy when the frequency is close to the resonance, which provides application potential in automatic impedance matching of ultrasonic transducer. Key words: ultrasonic transducer; impedance matching; ‘transformer-inductance’ model; precise adjustment
高频超声腔内换能器的阻抗匹配技术研究
高频超声腔内换能器的阻抗匹配技术研究摘要：高频超声腔内换能器是一种关键性的装置，它在医学、工业和科学研究领域中起着重要作用。
阻抗匹配是超声换能器设计的关键问题之一，其目的是实现最大能量转移和优化超声信号传输。
本文对高频超声腔内换能器的阻抗匹配技术进行研究，主要包括阻抗匹配的基本原理、常见的阻抗匹配技术和未来的发展方向。
1. 引言高频超声腔内换能器是将电能转换为超声波能量的装置，被广泛应用于医学、工业和科学研究领域。
在超声成像、超声治疗和非破坏性检测等应用中，高频超声腔内换能器的性能直接影响到超声信号的质量和有效传输。
阻抗匹配是超声换能器设计中的一个关键问题，旨在实现能量的最大转移和超声信号的优化传输。
2. 阻抗匹配的基本原理阻抗匹配是指超声换能器输出电路的阻抗与负载的阻抗相匹配，从而实现最大功率传输。
当超声波通过两种不同阻抗之间的界面传输时，当两种阻抗的差异越大时，部分超声波会发生反射或折射，导致能量损失。
因此，通过阻抗匹配技术，可以减少超声波的反射和散射，提高传输效率。
3. 常见的阻抗匹配技术3.1 反射阻抗匹配反射阻抗匹配是最常见的阻抗匹配技术之一，该技术通过调整超声换能器和负载之间的反射系数来实现阻抗匹配。
常用的反射阻抗匹配方法包括使用匹配层、变厚度聚合物层和铁电陶瓷等材料。
这些方法可以改变反射系数，减少超声波的反射和散射。
3.2 串联阻抗匹配串联阻抗匹配是通过在超声换能器和负载之间串联阻抗来实现阻抗匹配。
常见的串联阻抗匹配方法包括使用电感、电容和电阻等元件。
这些元件可以调整阻抗，以实现匹配。
3.3 平面超声波阵列阻抗匹配平面超声波阵列阻抗匹配技术是最新的阻抗匹配技术之一，它通过在超声换能器和负载之间添加微小的间隙来实现阻抗匹配。
这种技术可以减少反射和散射，并提高传输效率。
然而，平面超声波阵列阻抗匹配技术还在研究阶段，需要进一步的实验和改进。
4. 未来的发展方向未来的研究应该集中在以下几个方面：4.1 新材料的应用探索新的材料以提高超声腔内换能器的阻抗匹配效果。
超声波换能器阻抗
超声波换能器阻抗一、前言超声波换能器是一种将电能转化为机械振动能，并将机械振动能转化为电能的装置。
它是超声波检测和处理技术中不可或缺的一部分。
而换能器阻抗则是影响换能器性能的一个重要因素。
本文将从以下几个方面详细介绍超声波换能器阻抗相关知识：什么是阻抗、超声波换能器阻抗的定义、影响换能器阻抗的因素、如何测量和计算换能器阻抗以及如何优化换能器阻抗。
二、什么是阻抗在介绍超声波换能器阻抗之前，我们需要先了解什么是阻抗。
简单来说，阻抗就是电路中电流和电压之间相互制约的特性。
它类似于机械系统中的摩擦力或惯性，可以用来描述电路对交流信号的响应特性。
通常用复数表示，包括实部和虚部两个值。
三、超声波换能器阻抗的定义超声波换能器可以将电信号转化为机械振动信号，也可以将机械振动信号转化为电信号。
其中，机械振动信号是通过换能器中的压电晶体产生的。
在超声波检测和处理中，我们通常使用的是谐振式换能器。
它是由压电晶体、负载电容和匹配层组成的。
当外加电场作用于压电晶体时，会使其发生机械振动，并将机械振动信号输出到负载电容上。
换能器阻抗是指换能器输入端和输出端之间的阻抗特性。
它包括了输入端的驱动阻抗和输出端的负载阻抗两部分。
四、影响换能器阻抗的因素超声波换能器阻抗受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 压电晶体材料和尺寸：不同材料和尺寸的压电晶体具有不同的介电常数、机械耦合系数等物理特性，从而影响了其驱动和负载阻抗。
2. 负载电容：负载电容大小对于输出端负载阻抗有很大影响。
当负载电容过小时，会导致输出端开路；当负载电容过大时，会导致输出端短路。
3. 匹配层：匹配层的设计和材料也会影响换能器的阻抗特性。
一个好的匹配层可以提高换能器的能量转换效率，减小反射损失。
4. 工作频率：换能器在不同频率下的阻抗特性也不同。
通常情况下，换能器的谐振频率是最佳工作频率。
五、如何测量和计算换能器阻抗测量和计算超声波换能器阻抗是优化其性能的关键步骤。
第三章医用超声换能器3.1压电效应与压电材料特性3.1.1压电效应1.正
优点：可以制成任意形状，制作工艺简单，能在所需要的方向进行极化处理。
3.压电高分子聚合材料
聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF），分子式为（CH2-CF2)n在垂直于高分子薄膜上加交变电场，就会引起薄膜做厚度伸缩振动。
特点：结构简单，体软量轻、成本低、适用于大量生产；力学性能较好，可制成几微米厚大面积的压电薄膜;具有较好的抗辐射性;材料弹性刚度小，机械损耗小，Qm低，适用于宽带换能器;PVDF压电薄膜的弹性刚度常数和ε值低，压电电压系数g高，是一种良好的接收型压电振子材料；PVDF材料的声阻抗接近人体组织，容易获得良好匹配；PVDF薄膜不受潮湿和灰尘的影响，在室温条件下性能稳定。
3.2压电振子
压电体在极化面覆盖上激励电极后，即成为压电振子。
3.2.1压电振子的振动模式
长度振动（横向）
伸缩振动厚度振动（纵向）
径向振动
振动模式厚度切变
切变振动
面切变
厚度弯曲（纵向）
弯曲振动
长度弯曲（纵向）
能陷振动
医学超声工程中，多采用伸缩振动模式，其中又以厚度伸缩振动模式为主。
1、厚度伸缩振动：极化方向与电场方向平行时,产生伸缩振动。沿厚度方向极化，沿厚度方向施加交变电场，振动方向和超声波的传播方向均与电极面垂直。
2.压电陶瓷
人工制成的压电多晶体材料。
*电畴：自发极化方向相互趋于一致的的区域。通常人工烧结出来的陶瓷是多畴的，材料内不出现宏观电极化，无压电性能。
*极化处理：用大于陶瓷的矫顽电场Ec的直流电场进行一定时间的极化处理，使电畴转向，由多畴变成单畴晶体。极化处理后，陶瓷保留一定的总体剩余极化强度，从而使陶瓷体具有压电性能。在外加交变电场作用时，其极化量便跟随外加电场的极性周期性的变化，在宏观上形成了电致伸缩的现象。
超声喷丸换能器的高电压阻抗匹配设计
第 43 卷第 5 期2023 年 10 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 5Oct.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis超声喷丸换能器的高电压阻抗匹配设计∗施陆锴，芦小龙，李武琴，钱丰，曹达，李华峰（南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016）摘要研究了超声喷丸换能器在不同电压下的阻抗特性，设计了针对高电压驱动工况的阻抗匹配方法。
首先，采用功率放大器和示波器获取高电压下换能器两端的电压、电流以及相位差，计算得到阻抗特性曲线；其次，以工作频率下的阻抗为基准，计算并联匹配和串联匹配时的电感值，通过对比优选负载电路呈纯阻性的匹配方式，实现有功功率的最大化；最后，将匹配电路结合自制的驱动电源设计了超声喷丸成形驱动系统，利用激光位移传感器对比了匹配前后喷丸枪撞针振幅的变化。
结果表明，当以2.6 mH电感串联匹配时测得接入匹配电路后喷丸撞针冲击振幅由2.7 mm升至4.9 mm，验证了所提匹配方法的有效性。
关键词超声喷丸换能器；谐振频率；阻抗特性；匹配电路中图分类号TH39；TH69引言超声喷丸成形技术是一种利用超声换能器驱动金属介质（撞针或弹丸）产生高频冲击作用于金属表面，实现钣件成形与校形的先进冷加工无模成形技术［1‑2］。
超声喷丸成形技术具有能量密度高、操作方式灵活、加工成本低和绿色无污染等特点，目前已经在飞行器、船舶及汽车等工业领域得到广泛使用。
例如，法国SONATS的STRESSVOYAGER设备和德国KSA的7轴数控喷丸系统均在波音、空客等公司的诸多项目中发挥着重要作用，而国内相关的研制工作仍处于起步阶段［3‑5］。
作为超声喷丸成形系统的核心部件之一，超声喷丸换能器的工作特性直接决定了喷丸成形的效果。
由于在低频超声领域内对换能器功率以及端面振幅的要求较高，夹心式构型的超声换能器获得了广泛应用［6］。
超声换能器的设计理论研究
超声换能器的设计理论研究超声换能器是一种将电能转化为声能或将声能转化为电能的装置。
它在医学、工业、军事等领域发挥着重要作用。
因此，对超声换能器的设计理论进行深入研究具有重要意义。
超声换能器的设计理论研究主要包括两个方面：材料选择和结构设计。
首先，材料的选择对超声换能器的性能起着决定性作用。
超声换能器常用的材料有压电晶体和磁电材料。
压电晶体具有良好的压电效应，可以将机械能转化为电能或反之。
常用的压电晶体有PZT陶瓷和LiNbO3晶体等。
磁电材料具有磁电效应，可以将机械能转化为电能或反之。
常用的磁电材料有PZT陶瓷和Pb(Zr,Ti)O3薄膜等。
在选择材料时，需要考虑其压电系数、机械强度、稳定性等因素。
其次，结构设计对超声换能器的性能也起着重要影响。
超声换能器的结构主要包括压电层、电极层和背衬层。
压电层是将电能转化为声能或将声能转化为电能的关键部分。
电极层用于施加电场，激励压电层的振动。
背衬层则用于支撑压电层和电极层，提高超声换能器的机械强度。
在结构设计中，需要考虑压电层的厚度、电极的形状和布局、背衬层的材料等因素。
超声换能器的设计理论研究还需要考虑一些其他因素。
例如，超声换能器的工作频率、输入电压和输出功率等参数对其性能有着直接影响。
此外，超声换能器的调谐性能和耦合效率也是设计过程中需要重点考虑的因素。
总之，超声换能器的设计理论研究对于提高其性能和应用价值具有重要意义。
通过选择合适的材料和进行合理的结构设计，可以使超声换能器具有更高的转换效率、更宽的工作频率范围和更好的稳定性。
未来的研究还可以探索新的材料和结构设计方法，进一步提高超声换能器的性能和应用领域。
声波换能器等效阻抗
声波换能器等效阻抗1.引言1.1 概述声波换能器是一种能够将机械能转化为声能或者将声能转化为电能的装置。
它在许多领域中被广泛应用，例如声学、电子学、医学等。
声波换能器的性能取决于其等效阻抗，而等效阻抗是指在特定频率下，声波换能器对外界的电流和电压的响应关系。
本文将重点探讨声波换能器等效阻抗的计算方法，通过分析声波换能器的结构特点和工作原理，从理论角度介绍了等效阻抗的基本概念，并提供了一种计算等效阻抗的可行方法。
同时，本文还将总结声波换能器的等效阻抗在实际应用中的重要性，并展望了未来对声波换能器等效阻抗的研究方向。
通过深入研究声波换能器等效阻抗，可以更好地理解和掌握声波换能器的性能特点，在设计和开发新型声波换能器时提供理论指导。
此外，研究人员还可以通过优化声波换能器的等效阻抗，进一步提高装置的工作效率和性能表现。
然而，目前关于声波换能器等效阻抗的研究还存在一些挑战和问题，例如对于复杂结构和材料的声波换能器，等效阻抗的计算方法尚不完善；对于特定频率范围内的等效阻抗变化规律，仍需要更深入的研究。
因此，未来的研究方向可以考虑进一步深化对声波换能器等效阻抗的理论研究，开发更准确、高效的计算方法，并尝试寻找新的材料和结构设计，以提高声波换能器的性能和应用范围。
文章结构部分的内容可以按照以下方式展开：一、引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的二、正文2.1 声波换能器的定义和原理2.2 声波换能器的等效阻抗计算方法三、结论3.1 总结声波换能器的等效阻抗的重要性3.2 对声波换能器等效阻抗的未来研究方向的展望在文章结构部分，我们对整篇文章的结构进行简要介绍。
引言部分包含概述、文章结构和目的，在这一部分中，我们将引起读者的兴趣，并概括文章的主要内容和目标。
正文部分将详细介绍声波换能器的定义和原理，以及声波换能器的等效阻抗计算方法。
在这一部分中，我们将对声波换能器的工作原理进行解释，并介绍如何计算声波换能器的等效阻抗。
超声波换能器阻抗
超声波换能器阻抗超声波技术在医学、工业、安防等领域得到了广泛的应用，而超声波换能器作为超声波技术的核心部件之一，其阻抗特性对于超声波信号的产生和传输起着重要的作用。
本文将从超声波换能器阻抗的概念、特点、测量方法以及阻抗匹配等方面进行阐述。
一、超声波换能器阻抗的概念超声波换能器是将电能转化为超声波能量的一种装置，其主要由压电陶瓷材料和金属电极组成。
在超声波换能器中，电极通过交变电场作用于压电陶瓷上，使其发生压电效应，产生超声波信号，并将其传递到被测介质中。
而超声波换能器阻抗则是指超声波换能器内部电学特性与外部电学特性之间的匹配程度，即超声波信号从超声波换能器到介质的传递过程中所需要克服的电学阻力。
超声波换能器阻抗与压电陶瓷材料的厚度、直径、材料性质等因素密切相关，不同的超声波换能器阻抗会对超声波信号的发射和接收产生不同的影响。
二、超声波换能器阻抗的特点超声波换能器阻抗的特点主要体现在以下几个方面：1. 阻抗大小不同：不同类型、不同尺寸的超声波换能器阻抗大小不同，其阻抗值通常在几十到几千欧姆之间。
2. 阻抗频率特性：超声波换能器阻抗随着频率的变化而发生变化，通常存在一个最佳的工作频率。
3. 阻抗匹配问题：超声波换能器的阻抗与被测介质的阻抗不匹配会导致超声波信号的反射和衰减，进而影响信号的传输和接收。
三、超声波换能器阻抗的测量方法测量超声波换能器阻抗的方法通常有两种：一种是利用阻抗分析仪进行阻抗测试，另一种是通过超声波传播特性的测量来计算其阻抗值。
1. 阻抗分析仪测量：将超声波换能器与阻抗分析仪相连，通过测量其反射系数、透射系数等参数计算出超声波换能器的阻抗值。
2. 超声波传播特性测量：利用声速、声阻抗等参数计算出超声波在超声波换能器和介质之间的传播特性，再通过计算反射系数、透射系数等参数来推算出超声波换能器的阻抗值。
四、超声波换能器阻抗匹配为了充分利用超声波换能器的性能，需要对超声波换能器和被测介质之间的阻抗进行匹配。
超声波换能器阻抗匹配
超声波换能器阻抗匹配
超声波换能器的阻抗匹配是指将超声波发射器（或接收器）的阻抗与周围介质（如水或人体组织）的阻抗相匹配，以实现更高的能量传输效率和更好的信号接收质量。
在超声波应用中，阻抗匹配对于提高超声波系统的性能至关重要。
阻抗匹配的目标是最大化能量传输或信号接收，通常通过以下几种方式实现：
1.声阻抗匹配：超声波传感器的发射面通常与介质接触，声阻抗不匹配会导致反射。
为了减少反射，需要考虑超声波传感器与介质接触表面的声阻抗匹配。
通常可以通过合适的介质耦合剂或特殊设计的表面结构来实现。
2.电阻抗匹配：超声波传感器的电阻抗应该与电路中的其他元件（如放大器）匹配，以确保能量传输的高效率和最佳信号放大。
通常通过电路设计和匹配网络来实现电阻抗匹配。
3.波束阻抗匹配：超声波传感器的发射和接收波束的特性需要与介质的声阻抗相匹配，以最大程度地传播超声波信号并最小化反射。
这通常需要根据应用需求和介质特性进行适当的设计和优化。
4.匹配层设计：在超声波换能器的设计中，可以引入匹配层（matching layer），它位于超声波换能器的发射面和介质之间。
匹配层的设计旨在调节超声波的传播速度和阻抗，从而提高超声波信号的传输效率和接收质量。
综上所述，超声波换能器的阻抗匹配是通过声阻抗、电阻抗、波束阻抗和匹配层设计等方式来实现的，以提高能量传输效率和信号接收质量。
在超声波系统设计中，需要综合考虑各种因素，以实现最佳的阻抗匹配。
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基于超声换能器阻抗匹配原理对超声手术刀进行频率跟踪
基于超声换能器阻抗匹配原理对超声手术刀进行频率跟踪来源：电子技术应用，作者：杨林，戴剑峰，赵虎成，高瞻，陆阳，孙学明引言超声刀又称超声切割止血刀，工作原理是通过超声换能器(压电陶瓷)将电能转换成机械能，经放大、聚焦后作用于人体目标组织，其工作频率一般为20～100 kHz。
目标组织在短时间内温度可达70 ℃以上，致使组织细胞凝固坏死而又不损伤聚焦区域以外的正常组织[1-2]。
超声刀具有止血、切割、抓持、分离等多种功能。
与传统电刀或激光刀相比，超声刀具有最小的侧热损伤，可作用于重要脏器；由于没有电流通过病人，有效避免对神经肌肉的刺激，可以安全使用于已安装有心脏起搏器的病人；工作时只形成水汽，不产生烟雾，可减少组织焦化，在腔镜手术中保证手术视野清晰。
伴随着技术的不断成熟，超声刀在外科手术中得到了越来越广泛的应用。
超声手术刀的核心就是如何驱动换能器将电能转换成机械能。
由于超声刀的换能器工作在谐振状态的时候，电能转换为机械能的效率最高，超声刀头的使用寿命也才会更久，因此需要对于刀头的换能器进行阻抗匹配，并且在负载以及外部条件发生变化的情况还能够使换能器始终工作在谐振点附近。
本文通过对超声换能器阻抗匹配的原理分析，然后通过公式推导了超声手术刀的换能器的并联谐振匹配方法的电感计算方式，并提出了一种变频的频率跟踪方法，最后通过实际测试验证了该方法在频率跟踪时的作用效果。
1 、超声手术刀换能器静态阻抗匹配在实际中，超声手术刀的压电换能器是容性负载，如果不进行阻抗匹配，直接驱动刀头会产生反射功率，很多的能量会消耗在换能器上，从而使换能器发热，严重的时候会使换能器损坏，因此为了使换能器实现更好的能量转换，需要对换能器进行阻抗匹配[10-13]。
超声手术刀换能器的一个等效电路图如图1所示。
在图1中C0为静态电容，R0为静态电阻，一般为无穷大，而Lc为动态电感，Cc为换能器的动态电容，Rc为换能器的负载电阻。
由于R0可以忽略，因此整个电路的阻抗为：式中fS为谐振频率，在这个谐振频率点，超声手术刀的换能器的阻抗最小，并且其电能转换为机械能的转换效率最高，换能器发热最小。
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［５］ 许肖梅．声学基础［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３：
１５７—１５＆
［６】 张维蕴，阙沛文，寒寿鹏。超声梭测系统的建模霹究
Ⅸ气№Ｃ，ＳＣＨ！瞅Ｌ Ｗ，双测Ａ Ⅱ］．计算机仿真，２００６，２３（１）；７８－８０．
［７］
Ｍｎｄｄｉｎｇ ａｎｄ
ｍｅａｓｕｒ蚋ｇ ａｌｌ ｔｈｅ ｄｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｌｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ ＵｌｔｒａｓｏｎｉＣＳ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００６，５３（１１）；２１０１—２１１２．
省巷崔鐾点器量函
忍一徽 和（３）式可得换熊器等效输入电阻抗：
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研拳书肆计
ｌ冀。潮Ｒ（）ＮｌＣ电子测量技术 ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯｌ固ｌＧＹ
筹３ｌ卷第ｌｌ期 ２００８年１１月
超声换能器电阻抗特性研究＊
Hale Waihona Puke 徐遐飞 徐畚广 鸯定褥 周世篷 （北京理工大学机械与弗辆工程学院北京１０００８１）
接簧：为了鹾究超声换能器在发．蠢砉帮接收超声售等时电阻抗酶褥往，对莲声梭溺系统孛戆惩声信弩发射秘搂浚过 程进行建模分析，研究了电缆特性对换能器电阻抗的影响，推导了换能器在发射和接收超声信号时电阻抗的计算公式 和考虑电缆特性时的电阻抗计算公式，研究了换能器在发射和接收超声信号时电阻抗的关系。分析和实验表明，电缆 特性对换戆器电阻抗毒缀大影晌；换蔻器农发砉重纛接收超声信号时静电阻抗糕簿。 关键词：超声换熊器；电阻抗＃电缆特性；模型 中图分类号：Ｔ】Ｂ５５２ 文献标识码：Ａ
阶ｎ阶暖刚ｃ，ｚ－ｌｊＶ” ㈣
其串；ｄｅｔ［Ｃ］＝１。霹榉可泼把换麓器建模残一个二端系 统，如图１所示，在输入端电掌量（ｙ，Ｊ）的影响下，在其输 出端产生声学量（Ｅ，ｑ），［刀是换能器的转换矩阵，在电 学璧朔声学量之阕存在激下关系：
｛Ｙ｝一ｃ明｛三）＝［夏：乏］｛三）
ｃ２，
式孛：ｄｅｔＥＴ］一１，Ｖ翻ｊ楚换能器输入蠛酶电蓬粳毫流，
０引 言
超声换麓器是怒声无损检测系统孛的重要元斧，它蕤 实现电能和声麓曲槽豆转换。在超声检测过程中，换熊器 的性能决定了检测结果的准确性。在众多换能器的性能 参数中，电阻抗是其中的一个重溪参数，它粪接影响换戆 器与电信号发生装置翻电信号接收装置的电路匹配效果。 研究换能器在电一声转换和声～电转换两种状态下电阻 抗的关系，精确测量换能器电阻抗值，可以为换能器与激 发／接收电路之闻酶有效匹配提供数据，减少能量的衰减 和反射，从而提高测量系统的检测精度和增大检测 距离‘ｌ一２Ｉ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｌｍｒａｅｔｅｒｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’Ｓ ｅｌｅｅｔｒｉｅａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ．’ｒｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｂｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．１飞ｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’Ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｏｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｆ ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｂｌｉｎｇ
筹－
瑟１挨蕤器激发怒声整号麓模燮
１．２换能器接收超声信号的建模
越声信号接收部分包括换能器、电缆朔接收器。换能
器在接收莲声信号时，超声髂号作惩在撩畿器表露上戆作
用力为￡脚］：
段一Ｆ’刺牲一禳胡；【３］
（６）
荚孛：雾麓挂是瑕设换戆器表瑟必辫慈嚣换爨器表瑟所受囊
的作用力。毽是挟熊器表面藤点的振动速度。参照超声发
１换熊器激发接收超声信号建模
１．１换能器激发超声信号的建横 超声信号激发部分惫援激麟毫赫净发生器、电缆耱超
声换能器。其中脉冲发生器可以简化为一个线性器件，根
据Ｔｈｅｖｅｎｉｎ定理ｃ３］这个脉冲发生器可以用Ｔｈｅｖｅｎｉｎ等效
电路来建模，如图１所示，这个电路包括一个电压源Ｖｉ（甜） 穰一个串联电阻撬墨≤∞）。在实际超声检测中，掰翅的超 声频率在１ ＭＨｚ到２０ ＭＨｚ之闻，在这个频率范溺内，电 缆特性对电路的影响是不可避免的，在这里把电缆建模为 一个二端系统，如图１所承，［ｃ］是魄缆戆转换矩阵， 划有；
［碡】
Ｗ。辎勋ｏｖ丸Ｍｎｄｄｍｇ ａｎｄ
ｒａｅｓｓｕｒｉｒＩｇ ａｌｌ ｔｈｅ ｅｌｄ瞪眼嗽ｓ ｏｆ ａｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｓｙｓｔａ－ｎ Ｉ：ｍｏｄｄ啦ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｒｅｓ
Ｙｏｎｄｅｓｔｒ Ｅｖａｌ，２∞２，１４：１４１—１７６．
Ｅ和轨是换能器表面对介旋的作用力和质点振动速度啊。
＊基金项目：国防科学技术工业委员会“十一嚣”项目（Ｃ２１２０９１２０） ·２４·
万方数据
徐阑飞等：超声换能嚣电阻抗特性研究
第１１期
在换筏器惫奔囊牵辏射超声波鳇遥程中，存在疆封隧撬
玑鬻Ｅ—嚣Ｚ甄学‘黼５］械端满足。
（３）
不考臻毫缆稽毪对按鼗器等效瞧疆撬酶影响薅，壶（２）式
（１４）
先将毫缆Ｂ端开路，就对分剃在电缆的鼹瑞Ａ和辩处测得
（Ｖｌ，ｊ１）纛（Ｖ歼鼙，毛一Ｏ），由（１凄）戴胃得：
１，
ｒ
ｃｌｌ一荸Ｌ，ｃ２１；秽Ｌ
…歼璐
ｙ开羹
（１５）
露将邀缆Ｂ端短路，蘧时分嶷在毫缆懿嚣端Ａ张８薤嚣罨
（Ｈ，ｊ１）和（屹＝０，ｊ摄髂），由（１４）式可得：
１，
ｒ
Ｑ＝芋ｒ上，Ｇ２＝≯
（１６）
ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅｓ ａｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ｉｓ
ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ｉＳ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｂｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’Ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅｓ ａｒｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｗｈｅｎ ｉｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｓ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｓ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｔｒａｎｓｄｕｅｅｒｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｃａｂｌｉｎｇ ｃｈａｍｅｔｅｒ；ｍｏｄｅｌ
‘衄照
｛艇黯
蛾。、Ｇ：、Ｑ，翻ｅ矗与曦信号酶频率案关，它靛涟频率变
化的规律可以通过对脉冲激励下的Ⅵ、ｊ，、ｈ謦和ｌｕ
进萼亍Ｆｏｕｒｉｅｒ变换着由（１５）、＜１８）式得到。图Ｓ是一条两 端都有ＢＮＣ接头静毫缆＜１．５ｍ，５０ｆ１）懿转换矩阵懿赘量
结果，由图５可以看出，电缆特性对换能器电阻抗测量的
影响是不可忽略的。
｛７３
【ｑ
图２换能器接收超声信号的模型
瓣襻在考虑亳缆特谯对换能器嘏爨挽懿彩嚷蹲，换麓
器等效墨白一输一砭出（（电ＣＧＩ｝忑阻羹Ｉ抗Ｔｌｎ：甭÷－４如－Ｃ哥瓦，ｅ２Ｔ）氦霉ｚ，÷）Ｚ爵Ｇ；ｌ瓦＋磊＃Ｃ÷，，瓦岛Ｔ，％ｚ丽＋Ｃ，ｚＴｎ”（１“３）
院较（４）和（１２）式以及（５）和（１３）式弼知，换能器崔发射和 接收超声信号时的电阻抗是相等的。
，霉一黼 影响时，换能器等效输出电阻抗：
（１２≥
图３换能器接收超声信号时输出端开路情况下的 Ｔｈｅｖｅｎｉｎ等效耄豁
２实验验证
垂上述努麟萄絮，毫缆籍莲对换麓嚣毫隧抗辩溺量是 裔影响的，耍褥到电阻抗的精确值藏必须对测爨结果进符 补偿，测量电缆的转换矩阵的原理图如图４所承。由（１）式 蜀褥，
｛ｌ；｝｝一暖圳７№｝
电缆
。
图６电阻抗测爨示意匿
３结 论
由以上研究分析可翔，电缆特性对换能器电戳抗的影 响是不可忽略的，在换能器电阻抗的精确测量中进行相应 的字ｂ偿是必要的，在脉狰回波式的超声检测系统申，激发／ 接收两耀超声换能器在激发窥接收超声信号时的毫阻抗 是相等的，这样通过一次测嫩就能得到换能器在发射和接 收超声信号豫种状态下的电阻抗。由于建模和推导过程 垮不涉及超声信号的传播避程，新泼上述结论在接触式超 声梭测系统中也成立。
ｅｈａｒａ－
ｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｒｅｓ Ｎｏｒｄｅｓｔｒ Ｅｖａｌ，２００２，１４：２０３－２０８．
Ｅ９］ ＬｏＰＥ参ＳＡＮＣＨＥＺ Ａ Ｌ，ＳＣＨＭＥＲＲ Ｌ Ｗ．Ｄｅｔｅｒｍｉｒｒ
ａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’ｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ
ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｎ ａ ｐｕｌｓｅ－ｅｃｈｏ ｓｅｔｕｐ［Ｊ］．ＩＥＥＥ
以用Ｔｈｅｖｅｎｉｎ等效电路来建模，如图３所示，电压源Ｋ就
玩２‰２燕 是换能器的输出端开路电压，
渤
Ｚ就魁换能器在接收超声信号时的等效电阻抗。将图３