压电超声换能器原理及研究进展讲课讲稿

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医用超声换能器专家讲座

f = c/λ= c/2L 称基本谐振频率，或基频。
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前向超声
表面位移
L 压电体
０ T/2 T
c, f
t
后向超声
０ T/2
T 3T/2 t
收缩膨胀收缩
一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一种
表面达到对面所用时间为：
t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。
当沿某些天然晶体或人造压电陶瓷材料旳一定方向施加外部应力（拉力或压力）使材料发生形变时，则会在物体两个受力界面上引起内部介质正负电荷中心相对位移，产生符号相反旳束缚电
荷。这种由机械力作用引起晶体表面电荷旳效应，称为正向压电相应。
应力→电荷中心相对位移→晶体表面电荷效应。若在上述晶体或压电陶瓷体表面沿着能产生压电效应旳电轴方
一般将任意角度方位旳声压 PB ( ) 与 0 时声压 PB (0) 之比 Di 、称为声场指向性函数，其图形称为指向性图案，用极坐标表达。
指向性图案中有一系列波束，其中辐射能量集中或接受灵敏度最高旳波束称为主波束（主瓣），旁侧波束称为次波束（付瓣）。指向性函数（directivity function），主瓣（main lobe）。
• 当检查旳组织或脏器位于近场范畴内，这时近场内旳超声束平行度最高，反射界面与晶片旳垂直性最佳，因此反射旳声强较高，失真度小。但在近场之近晶片端，由于发射干扰等因素也许存在盲区。探核对象与否位于近场范畴内，可根据表 2—2大体进行判断。
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压电超声换能器概述

压电超声换能器是一种利用压电效应将电能转化为声能或反之的设备。

它是将压电材料（如石英、铅锆酸钛等）制成特定形状的片状或圆柱状结构，并在其两面分别连接电极，形成压电陶瓷。

当施加电场或施加机械应力时，压电材料会发生形状变化，从而产生声波。

压电超声换能器具有以下特点：
1.压电效应：压电材料具有压电效应，即在电场或应力的刺激下发生形状变化。

通过施加电压或机械压力，压电超声换能器可以产生声波，并将电能或声能转换为对应形式的能量。

2.幅频特性：压电超声换能器的发声频率与材料的厚度、形状和工作模式有关。

通过调节电场或机械应力的参数，可以控制发声频率的范围和图案。

3.高能量转换效率：压电超声换能器的能量转换效率较高，能够将电能转换为声能或反之，从而实现能量的转换和传递。

4.高灵敏度和精度：压电超声换能器对外部刺激的响应速度快，具有高灵敏度和精度。

它能够快速、准确地将电信号转换成声信号或将声信号转换成电信号。

压电超声换能器在许多领域有广泛的应用，例如医学超声成像、声学测量、工业无损检测、流体控制等。

在医学领域，它可以将电信号转换为声波，通过适当的处理和解读，实现对人体组织的成像和诊断。

在工业领域，它可以用于缺陷检测、材料测试、流体控制等方面，具有重要的应用价值。

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能够将电能转化为超声波能量的装置，它在医疗、工业、生活等领域都有着广泛的应用。

超声波换能器的原理是基于压电效应，通过压电晶体的振动来产生超声波。

本文将介绍超声波换能器的原理及其应用。

超声波换能器是利用压电效应将电能转化为机械能，再将机械能转化为超声波能量的装置。

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不均，从而产生电势差的现象。

当外加电压施加在压电晶体上时，晶体会发生形变，产生机械振动。

这种振动会以超声波的形式传播出去。

超声波换能器通常由压电晶体、声阻抗匹配层、声透镜、保护层等部分组成。

压电晶体是超声波换能器的核心部件，它能够将电能转化为机械能，产生超声波。

声阻抗匹配层用于提高能量传输效率，减少反射损失。

声透镜用于聚焦超声波，控制超声波的传播方向和范围。

保护层则用于保护压电晶体不受外界环境的影响。

超声波换能器在医疗领域有着广泛的应用。

它可以用于超声波造影、超声波治疗、超声波手术等方面。

在超声波造影中，超声波换能器将电能转化为超声波能量，通过人体组织的不同反射特性来获取影像信息。

在超声波治疗中，超声波换能器的超声波能量可以用于治疗肿瘤、消炎止痛等。

在超声波手术中，超声波换能器可以用于切割、凝固组织，实现无创手术。

除医疗领域外，超声波换能器还在工业领域有着重要的应用。

例如超声波清洗、超声波焊接、超声波测厚等方面。

在超声波清洗中，超声波换能器的超声波能量可以将污垢从物体表面去除，实现高效清洗。

在超声波焊接中，超声波换能器可以利用超声波的振动作用将材料焊接在一起。

在超声波测厚中，超声波换能器可以利用超声波的穿透性来测量材料的厚度。

总之，超声波换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置，其原理是基于压电效应。

它在医疗、工业、生活等领域都有着广泛的应用。

通过对超声波换能器原理的深入了解，我们可以更好地应用和改进这一技术，为人类的生活和工作带来更多的便利和效益。

压电材料介绍及压电方程超声换能器

压电材料介绍及压电方程超声换能器压电材料是指具有压电效应的材料，它们可以将机械能转化为电能，或者反过来将电能转化为机械能。

这种转换的原理是基于压电效应的发现，即一些物质在受到力或压力作用时会发生电荷分离现象，产生电势差。

压电材料具有很多应用领域，其中之一就是超声换能器。

压电材料具有许多独特的特性，使其成为一种理想的换能器材料。

首先，它们能够产生较大的振动幅度，同时具有较高的机械转换效率，这使得它们能够将电能转化为强大的机械振动，从而产生高强度的超声波。

其次，压电材料的频率响应范围宽，可以覆盖从几千赫兹到几百兆赫兹的超声波频率范围。

此外，压电材料还具有良好的稳定性和耐久性，可以在极端温度和湿度条件下工作。

压电方程是描述压电效应的数学公式，其一般形式为d=d0+gE-hT，其中d表示压电位移，d0是压电位移的基本值，g是电内耦合系数，E是电场强度，h是温度耦合系数，T是温度。

这个方程表明，压电位移是电场强度和温度的函数，电场强度和温度的改变可以导致压电位移的变化。

超声换能器是一种利用压电效应制造的声波发射和接收装置。

它可以将电能转化为机械振动，从而产生超声波，并将接收到的声波转换为电能。

超声换能器通常由两个压电片组成，这些压电片被安装在一个金属外壳中，形成一个谐振腔。

当施加电场时，压电片会膨胀或收缩，从而使外壳产生相应的振动，产生超声波。

当超声波传入时，它们将引起压电片的振动，产生电荷分离，从而产生电势差。

这种电势差可以用来测量或接收声波。

超声换能器在医学成像、工业无损检测、海洋勘探等领域有广泛的应用。

在医学领域，超声换能器可以用于超声检查、超声成像、超声治疗等，它们能够提供高分辨率的图像和准确的诊断信息。

工业上，超声换能器可以用于检测材料的缺陷、测量液体的流速、实施密封性检测等。

在海洋勘探中，超声换能器可以用于测量海洋底部的地质结构、寻找海洋沉积物等。

总之，压电材料是能够将机械能转化为电能或反过来将电能转化为机械能的材料。

《部分超声换能器》课件

1
小型化设计
微型超声换能器采用小型化设计，适用于体积有限的医疗和工业设备。
2
快速响应
微型超声换能器响应速度快，适用于高速成像和检测任务。
3
医学应用
微型超声换能器被应用于内窥镜、微创手术和移动医疗设备等领域。
《部分超声换能器》PPT 课件
这份《部分超声换能器》PPT课件将带你深入了解超声换能器的各个方面，从介绍超声换能器的原理和应用，到讨论不同类型的超声换能器，以及它们在各个领域的应用场景。
超声换能器介绍
超声换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置。它在医学、工业和科学研究中扮演着重要角色，可以用于成像、测量、检测和治疗等领域。
环形超声换能器具有较高的灵敏度和辐射范围，适用于大范围的成像和检测任务。
2 医学应用
环形超声换能器广泛应用于医学成像领域，如超声脑电图和乳腺超声等。
3 工业应用
环形超声换能器也被用于工业检测和材料分析等领域。
线性阵列超声换能器
线性阵列超声换能器由多个压电元件组成，可实现多通道成像和检测。
多通道成像
线性阵列超声换能器的多通道设计可同时获取多个声束的信号，从而实现高分辨率成像。
医学应用
线性阵列超声换能器被广泛应用于医学诊断中，如超声心脏图和超声肾脏图等。
工业应用
线性阵列超声换能器也被应用于工业无损检测和材料分析等领域。
二维阵列超声换能器
二维阵列超声换能器由多行多列的压电元件组成，可实现三维成像和检测。
原理
应用
Innovations
超声波是通过压电材料产生的，当施加电压时，压电材料会振动，从而产生超声波。
超声换能器广泛应用于医疗成像、非破坏检测、气体流量测量等领域。

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。

超声换能器工作原理

超声换能器工作原理1.引言1.1 概述概述超声换能器是一种重要的电声转换器件，广泛应用于工业、医学、科研等领域。

它通过电能与机械振动的转换，实现了声波的产生和接收。

在不同的应用领域中，它具有不同的工作原理和结构。

超声换能器的工作原理基于压电效应和回声原理。

当施加高频电场到压电材料上时，由于压电效应的存在，压电材料会发生微小的形变。

这种形变将产生机械振动，并通过传导介质传播出去，形成了超声波。

超声波在超声换能器的结构中发挥着至关重要的作用。

超声换能器的结构通常由压电材料和负载材料组成。

压电材料是产生超声波的关键部分，它具有良好的压电性能。

负载材料用于接收超声波，并将其转换回电能。

除了压电材料和负载材料，超声换能器还包括了传导介质和机械辐射面等组成部分。

超声换能器广泛应用于医学领域，例如超声检测和超声治疗。

它可以通过发射和接收超声波来对人体进行观察和治疗。

在工业领域，超声换能器可用于测量、清洁和焊接等应用中。

此外，随着科技的发展，超声换能器还有着广阔的应用前景，尤其是在无线电通信、物联网和汽车技术等领域。

总体而言，超声换能器是一种具有重要作用的电声转换器件。

通过压电效应和回声原理，它实现了电能与声能的相互转换。

在不同的应用领域中，超声换能器发挥着重要的作用，并且有着广阔的发展前景。

通过进一步研究和技术创新，相信超声换能器将在未来的科技领域中发挥更大的作用。

1.2 文章结构文章结构部分的内容：本文共分为引言、正文和结论三个部分进行叙述。

引言部分主要概述了超声换能器工作原理的研究背景和重要性。

首先介绍了超声换能器的定义和作用，然后简要解释了超声换能器的结构和组成。

最后明确了本文的目的，即深入分析和总结超声换能器的工作原理，展望其在未来的应用前景。

正文部分是本文的重点部分，主要讲述了超声换能器的工作原理。

首先详细介绍了超声换能器的定义和作用，包括其在医学、工业和生物科学等领域的广泛应用。

然后着重解释了超声换能器的结构和组成，包括压电材料和电极的选择以及超声波的产生和传播原理。

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。

换能器产生超声波的原理

换能器产生超声波的原理
换能器是一种将电能转化为机械振动能的装置，广泛应用于医疗、工业和科学等领域。

换能器产生超声波的原理是基于压电效应，在电场作用下产生机械振动。

压电效应是指一些晶体在受到外加电场作用时，会发生形变，从而产生机械振动。

这种晶体被称为压电晶体，如石英、铅锆酸钛等。

换能器中常用的压电晶体是铅锆酸钛晶体。

换能器的结构一般由压电陶瓷片和金属振动体组成。

压电陶瓷片置于金属振动体的一端，并通过螺丝或胶水固定。

金属振动体通常为圆柱形，也有其他形状。

换能器的另一端连接电极，实现电能输入。

当电压施加在换能器的电极上时，电场在压电陶瓷片中产生，引起压电效应。

压电陶瓷片会在电场的作用下发生形变，产生机械振动。

振动的频率和振幅与施加在电极上的电压成正比。

换能器结构中的金属振动体起到了放大和聚焦的作用。

当压电陶瓷片振动时，机械能会通过金属振动体传递，并进一步放大和集中在振动体的一端。

这样，振动体的一端就成为辐射超声波的源点。

超声波以球面波的形式从源点辐射出去。

超声波是频率超过20kHz的机械波，超出了人类听觉范围。

换能器产生的超声波可以通过介质传播，并在与物体相互作用时产生一系列现象。

超声波在物体中
的传播和反射会产生回波，通过接收回波可以获取物体的信息，实现诊断、测量、探测等功能。

总结起来，换能器产生超声波的原理是通过压电效应，在电场作用下引起压电晶体的机械振动。

振动通过金属振动体放大和聚焦，形成超声波源点。

超声波辐射出去，通过介质传播并相互作用于物体，产生回波，实现超声波的应用功能。

压电陶瓷超声波换能器与试件的距离

压电陶瓷超声波换能器与试件的距离是超声波检测中一个十分重要的参数。

合适的距离可以保证超声波的传播和检测效果，因此对于超声波检测领域的研究人员和实际应用工作者来说，对压电陶瓷超声波换能器与试件的距离进行深入了解和研究至关重要。

1. 压电陶瓷超声波换能器的原理压电陶瓷超声波换能器是一种能够将电能转换为机械能的装置。

当施加电压在压电陶瓷上时，它会产生压电效应，从而产生机械振动。

这种振动会通过与试件的接触面传播到试件中，并在试件内部产生超声波。

另当超声波通过试件传播时，它会与试件中的缺陷或界面反射，再由压电陶瓷超声波换能器接收到并转换为电信号。

压电陶瓷超声波换能器在超声波检测中起着至关重要的作用。

2. 合适的距离对检测效果的影响合适的压电陶瓷超声波换能器与试件的距离对超声波检测的影响不可忽视。

较小的距离会增加超声波的传播损耗，导致传播距离有限，甚至超声波无法完全进入试件内部。

这会造成试件内部的缺陷或界面无法得到有效检测，对检测结果的准确性和可靠性造成威胁。

较大的距离会使得超声波能量降低，导致接收信号的幅度下降，信噪比变差，从而影响检测结果的清晰度和可靠性。

合适的距离可以保证超声波的有效传播，从而确保检测的准确性和可靠性。

3. 确定合适距离的方法确定合适的压电陶瓷超声波换能器与试件的距离是超声波检测中的一个关键问题。

一般来说，可以通过以下几种方法来确定合适的距离。

可以通过实验的方式进行优化。

在实验中可以逐渐调整距离，观察检测结果的变化，从而确定最佳距离。

可以通过数值模拟的方式进行分析。

利用声学理论和有限元分析等方法，可以对超声波在试件中的传播进行模拟分析，从而得出最佳距离的估计。

可以通过经验和专家知识进行判断。

在实际工作中，经验丰富的研究人员和工程师可以通过自己的经验和专业知识来判断合适的距离，然后进行实际检测。

4. 结语压电陶瓷超声波换能器与试件的距禂对超声波检测的影响是一个复杂而重要的问题。

合适的距离可以保证超声波的有效传播和检测效果，因此对于超声波检测领域的研究人员和实际应用工作者来说，对压电陶瓷超声波换能器与试件的距禂进行深入了解和研究至关重要。

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。

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能够将电能转换为超声波能量的装置，它在医疗、清洗、焊接等领域有着广泛的应用。

它的工作原理主要包括压电效应和超声波振动效应两个方面。

首先，压电效应是超声波换能器工作的基础。

压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷分离的现象。

这种晶体受到外力时会发生形变，从而产生电荷的分离，形成电势差。

当外力消失时，电荷分离也会消失。

这种特性使得压电效应的晶体可以将机械能转化为电能，从而实现能量的转换。

其次，超声波换能器利用压电效应产生的电荷分离，通过特定的电路和振动系统将电能转化为超声波能量。

在超声波换能器内部，压电晶体受到外加电压的作用产生形变，从而产生超声波振动。

这种振动通过金属壳体传递到工作介质中，产生超声波波动。

超声波的频率通常在20kHz以上，可以实现精细的清洗、高效的焊接和精准的医疗治疗等功能。

超声波换能器的工作原理基于压电效应和超声波振动效应，通过将电能转化为超声波能量，实现了在医疗、清洗、焊接等领域的广泛应用。

压电效应使得晶体可以将机械能转化为电能，而超声波振动效应则将电能转化为超声波能量。

这种工作原理的应用不仅提高了生产效率，还提高了产品质量，拓展了应用领域，具有重要的实际意义和应用价值。

总的来说，超声波换能器的工作原理简单而又高效，通过电能和超声波能量之间的转换，实现了在多个领域的广泛应用。

压电效应和超声波振动效应的结合，使得超声波换能器成为现代工业生产中不可或缺的重要装置。

相信随着科技的不断发展，超声波换能器的工作原理将会得到更多的应用和完善。

压电与超声波2讲课文档

传感与检测技术
第十六页，共115页。
第7章压电元件与超声波传感器
传感与检测技术
压电陶瓷（多晶体）
➢ 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。
第十七页，共115页。
第7章压电元件与超声波传感器传感与检测技术
压电陶瓷（多晶体）
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Uim()
1()2 K1
tan1() (90 70 )
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第三十二页，共115页。
☻ 电压放大器讨论：
• 压电传感器不能测量静态物理量；
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1()2 K1
• 优点: 高频响应特性好。
一般认为当ωτ ≥ 3时输入电压与信号频率无关；
• 缺点：低频响应差，提高低频响应的办法是增大τ，但不能靠增加输入电
7.3 测量电路压电传感器等效电路
传感与检测技术
➢ 压电传感器可视为电荷源
Q dF
➢ 看成具有+、- 极性的电容器，
可等效为一个电容器Ca；
S Ca d
➢ 电容极板上电压大小与极板间电荷成正比
U Q/Ca
➢
视为电荷输出时可等效为电荷源Q和电容
Ca并联，开路状态输出端电荷为：
Q CaU
➢ 视为电压输出时可等效为电压源U与电
压电与超声波
第一页，共115页。
优选压电与超声波
第二页，共115页。
第7章压电元件与超声波传感器概述
传感与检测技术
➢ 压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的发电
型传感器.