超声波换能器材料的设计与研究
换能器优化设计与实验
燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：超声波换能器优化设计与实验学院（系）：里仁学院年级专业：工业自动化仪表2班学生姓名：**指导教师：**完成日期：2013年3月27日一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义（一）本课题研究意义超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。
最早的超声换能器是P.郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。
这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。
1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。
到了50 年代, 由于电致伸缩材料钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。
目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。
目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。
但是超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 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,对换能器进行性能测试实验与分析，从而进行合理的设计与优化。
（二）国内外研究动态1、超声压电材料的发展(1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷是超声换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。
同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。
超声换能器的原理及设计
超声换能器的原理及设计超声波换能器是超声波焊接机的高频机械振动源及作用，就是将超声波发生器输出的电能或者磁能转换成相同频率的机械振动，超声焊接机用的换能器，目前有两种，一种是，磁致伸缩型换能器，另一种是压电陶瓷换能器磁致伸缩式换能器，由于效率低，性价比低，还需外加直流极化磁场，因此目前超声焊接机已经很少使用。
压电陶瓷换能器基本原理是建立在晶体材料的压电效应基础上的，这种材料为压电晶体材料，在超声焊接机主要用的是压电陶瓷产量，这种材料在成熟外地发生形变时，在压电陶瓷晶体表面，会出现电荷，晶体内部产生电场，反之，当晶体呈受外电场作用时，金片会发生形变，这种现状称之为压电效应，前者称正电效应，或者称逆电效应。
超声波换能器是超声振动系统的核心部件，超声波换能器设计的好坏，关系到焊接机工作的效率，稳定性及寿命等，在市场上采用大部分的压电陶瓷换能器，按照振动形式区别种类很多，如径向振动模式，纵向复合式振动模式，剪切振动模式，厚度振动模式等。
超声波塑料焊接机工作时加工塑料工件，需要的是高频率的纵向振动。
使得工件的上下模上下高频振动融化焊接层得到焊接效果。
压电换能器的结构：压电陶瓷换能器的结构，由压电陶瓷晶片，电极片，前后盖等组成。
后盖板一般用质量较大的钢制成前盖板由质量轻的，高强度铝合金或者钛合金制造而成，它是利用了压电陶瓷的纵向效应器，陶瓷元件的极化方向，电场方向，机械振动方向，三者一致。
这种换能器称纵向复合振动换能器，它的长度方向尺寸远大于它们的宽度。
图3-1为国内外焊接机常用的政治使用图与结构图，图中两端是两块金属盖板，中间是压电陶瓷元件堆，压电陶瓷一般是纵向极化的带孔圆片，一根应立螺杆，将这三部分紧固在一起着，称为预应力螺杆。
他只陶瓷元件，具有较大的抗压强度，同时在大功率驱动下，陶瓷元件取压缩状态，从而避免膨胀所造成的破裂这种换能器通过改变前后盖的材料尺寸来控制换能器的频率带宽，前后增速比和有效机电耦合系数等性能参数。
超声换能器的优化设计与性能研究
超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。
为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。
本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。
一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。
常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。
其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。
在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。
此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。
二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。
典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。
其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。
但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。
超声换能器的电极结构也需要优化设计。
传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。
因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。
三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。
现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。
其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。
一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。
新型超声换能器的设计原理与应用
新型超声换能器的设计原理与应用新型超声换能器的设计原理与应用1. 引言在现代科技发展的今天，超声技术在各个领域的应用越来越广泛。
作为一种能够产生高频声波并将其转化为其他形式能量的装置，超声换能器在医疗、工业、通信等领域发挥着重要的作用。
本文将深入探讨新型超声换能器的设计原理与应用，旨在帮助读者更全面地理解这一领域的知识。
2. 超声换能器的基本原理超声换能器是一种能够将电能转化为声能或声能转化为电能的装置。
其基本原理是利用压电材料的压电效应或逆压电效应来实现能量的转换。
当施加外加电场时，压电材料会产生机械应变，从而产生声波。
逆压电效应则是指在超声波的作用下，压电材料会产生电荷，从而转化为电能。
3. 新型超声换能器的设计原理3.1 材料选择新型超声换能器的设计首先要考虑材料的选择。
常用的压电材料有PZT陶瓷、PZT单晶、PVDF等。
不同材料具有不同的压电系数和机械性能，因此在选择时需要根据具体需求进行权衡。
3.2 结构设计结构设计是超声换能器设计中的关键环节。
传统的压电换能器一般采用表面贴装方式，但这种结构存在粘接问题和能量密度限制等局限性。
新型超声换能器通过优化结构设计，可以提高换能效率和频率响应，如采用双晶换能器和双接触换能器等。
3.3 电极设计电极的设计对超声换能器的电性能和机械性能有着重要影响。
新型超声换能器可以采用分叉电极设计或等效电路设计，以提高耦合效率和能量转化效率。
4. 新型超声换能器的应用4.1 医疗领域在医疗领域，新型超声换能器广泛应用于医学成像、超声治疗、超声导引等方面。
超声图像设备利用超声换能器将电能转化为声能，并通过人体组织的反射返回的声波来进行成像。
4.2 工业领域在工业领域，新型超声换能器可以应用于无损检测、测量和控制等方面。
超声换能器可以用于检测材料的缺陷、测量液位和压力、控制液体流量等。
4.3 通信领域在通信领域，新型超声换能器可用于声表面波传感器和超声波射频识别等应用。
压电超声换能器原理及研究进展
主要是以一片底部环形 定子（Stator）及一片 环形转子（Rotor）组 成，将超声波频率的震 动转变成转动能量。将 交流电加到定子底部的 压电陶瓷部份，便会令 定子产生 0.001mm 幅 度、约 30,000Hz 高频 而微细的震动，从而令 定子顶部与转子接触的 部份产生一种弯曲移动 波弯曲移动。波产生的 磨擦力，足以使转子产 生转动 。
压电超声换能器重要参数
机电耦合系数 电能机械能转换效率系数 介质损耗因子tanθ 有功功率与无功功率比值 机械损耗因子tanθM 损耗机械能与介质存储机械能 频率常数N 机械频率与决定该频率的线性尺寸乘积N=f0* h
2、压电超声换能器应用
压电超声换能器广泛应用于超声加工、超 声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、 遥控，如：压电陶瓷变压器、超声马达、 超声波清洗、超声焊接、超声加工、交 通监测、机器人成像信息采集。
逆压电效应：对晶体施加交变
电场引起晶体机械变形的现象
动力源 （压电马达）
逆
压电器件
声-电信号转换
（压电变压器、 声纳系统）
逆
超声波
（超声清洗、探测）
电声信号压电方程
电声转换模型
压电方程
主要压电换能器材料
压电换能 器材料
单晶 陶瓷
1、石英晶体 2、铌酸锂 3、罗谢尔盐 4、磷酸二氢钾
1、钛酸钡陶瓷 2、镐钛酸铅陶瓷 3、偏铌酸铅陶瓷 4、铌酸钾钠陶瓷 5、钛酸铅陶瓷
主要内容
压电超声换能器原理 压电换能器应用 压电换能器发展方向及研究 进展
课题背景
超声换能器是实现声能与电能相互转换的 部件, 广泛应用于超声加工、超声清洗、 超声探测、检测、监测、遥测、遥控、 成像等
超声波换能器 发射压块设计方案
超声波换能器发射压块设计方案超声波换能器是一种能够将电能转化为机械振动能的器件，广泛应用于医疗、工业和军事等领域。
本文将围绕超声波换能器的发射压块设计方案展开讨论。
超声波换能器的发射压块是指换能器的振动部分，通常由压电陶瓷材料构成。
压电陶瓷材料具有压电效应，即在电场的作用下，会发生形变或产生机械振动。
利用这一特性，超声波换能器能够将电能转化为机械振动能，并通过介质传播出去。
在设计超声波换能器的发射压块时，需要考虑以下几个方面。
要选择合适的压电陶瓷材料。
压电陶瓷材料的选择直接影响到超声波换能器的性能。
常用的压电陶瓷材料有PZT、PMN-PT等，它们具有较高的压电系数和较好的稳定性，适合用于超声波换能器的发射压块。
要确定压块的形状和尺寸。
压块的形状和尺寸会影响到换能器的工作频率和辐射特性。
通常情况下，压块的形状可以选择为圆形、矩形或椭圆形，而尺寸则需要根据具体应用来确定。
第三，要进行合理的电极设计。
电极是将电能传递到压电陶瓷材料上的介质，其设计直接影响到换能器的能量转换效率和工作稳定性。
电极的形状和布局需要考虑到换能器的振动模式和机械耦合效应，以提高能量转换效率和减小机械耦合损失。
要进行适当的声阻抗匹配设计。
声阻抗匹配是指在超声波的传播过程中，通过设计合适的介质层和背腔结构，使得超声波能够更好地从换能器传递到工作介质中。
声阻抗匹配的设计需要综合考虑换能器的工作频率、介质的声阻抗以及背腔结构的影响，以提高超声波的传播效率。
超声波换能器的发射压块设计方案需要考虑压电陶瓷材料的选择、压块形状和尺寸的确定、电极设计以及声阻抗匹配等因素。
通过合理的设计，可以提高超声波换能器的性能，并使其在医疗、工业和军事等领域发挥更大的作用。
高频超声腔内换能器的设计和性能验证
高频超声腔内换能器的设计和性能验证从医学影像检查到工业无损检测，超声技术的应用越来越广泛，而高频超声腔内换能器的设计和性能验证是其中至关重要的一环。
本文将重点介绍高频超声腔内换能器的设计原理、构造、性能验证方法以及相关技术进展。
一、高频超声腔内换能器的设计原理高频超声腔内换能器是一种将电能转化为声能的装置，其设计基于压电效应。
当施加电压时，压电晶体会发生尺寸变化，产生声波。
而高频超声腔内换能器主要由压电片、振动片和保护层等组成。
压电片是最核心的部分，负责将电能转化为声能的过程。
振动片则负责放大和辐射声波，并通过保护层保护换能器的结构。
在设计高频超声腔内换能器时，需要考虑的因素包括换能器的工作频率、工作模式、材料选择和结构设计等。
工作频率主要根据应用需求确定，常见的高频超声腔内换能器工作频率在1-100 MHz范围内。
工作模式可以分为共振型和非共振型，共振型换能器具有较高的能量转换效率，而非共振型换能器则更加灵活适用于不同的应用场景。
材料选择主要考虑压电材料的性能，如压电系数、介电常数等。
结构设计关乎换能器的灵敏度、输出功率等性能。
二、高频超声腔内换能器的构造高频超声腔内换能器的构造多种多样，不同的设计可以满足不同的应用需求。
例如，线性阵列换能器适用于高分辨率成像，其由多个换能器组成，可以实现多普勒成像和三维成像等功能。
而扇形阵列换能器则适用于心脏和血管检查，其特点是成像范围广，适用于大面积扫描。
除此之外，还有环形阵列换能器、单晶换能器等多种构造形式可供选择。
在构造设计中，需要考虑的因素包括换能器尺寸、通道数、接口类型等。
换能器的尺寸通常要满足对目标物体进行精确成像的要求，同时也需要考虑可植入性等因素。
通道数多少直接影响了换能器的成像质量，通常通道数越多，成像质量越高。
接口类型则根据设备的连接要求来确定。
三、高频超声腔内换能器的性能验证为了保证高频超声腔内换能器的性能和可靠性，需要进行一系列的性能验证实验。
电磁超声换能器的研究与设计
电磁超声换能器的研究与设计摘要：电磁超声换能器(EMAT)是一种基于电磁超声转换技术的新型电声转换器。
同时，它也是一款集超声波发射、接收装置于一体的非接触型换能器。
因为电磁超声波无损技术在进行作业的时候是不需要有介质耦合的，也无需对试件进行准备处理等诸多优点，故其检测时的温度可以高达1000℃，对一般的被探测的工件表面也无需经过特殊处理，可以直接进行无损处理，因此电磁超声换能器广泛的应用在超声无损检测技术领域中。
本研究主要是对电磁超声换能器的工作原理进行研究以及在现有的电磁超声换能器的基础上对其进行优化设计。
结合国内外发表的文献为研究基础，对电磁超声换能器的研究现状进行调查分析，总结电磁超声换能器各参数对其转换效率的影响，针对现有研究中的不足对其进行优化设计。
关键词：毕电磁超声换能器；超声无损检测；调查分析；优化设计一、绪论1.1研究研究背景传统的超声波产生方式主要是通过压电换能器实现的，虽然它的结构设计起来比较简单，换能的效率也比较高，但是在使用的时候经常需要耦合剂作为耦合介质，而且有的时候还需要对试件进行事先的准备处理工作，而且在温度测量技术上存在诸多限制。
随着国内点次声波换能技术的不断进步，为国内超声波无损检测技术的发展指明了道路，人们将利用电磁超声转换技术来弥补传统换能技术中的不足之处。
所说的电磁超声指的是通过洛伦兹力理论和磁力伸缩原理，来达成不用接触就能被激发的新型技术，相对于传统的压电超声换能器其具备以下优点：1）可以轻易的通过改变电磁场的方向和大小，来产生不同需要的各种超声波，例如兰姆波和表面波。
在对待测物体进行测量的时候通过磁电转换产生兰姆波，其产生的兰姆波是通过线扫描的方式对待测物进行大范围的快速高效率的检测，相比较传统的逐点体波扫描方式要方便很多，为测试节省了很多的时间，大大的提高了检测工作的效率，在板材无损检测方面应用特别广泛。
2）可以实现在不需要接触待测物体的前提下对待测物体进行测量，有效的避免了在待测物不方便进行预先处理的问题，也解决了在使用耦合剂时对测量精度存在影响的问题。
新型超声换能器的设计原理与应用
标题：探究新型超声换能器的设计原理与应用一、引言在当今科技飞速发展的时代，超声技术已成为医疗、冶金、化工等领域不可或缺的重要技术手段。
在超声技术中，超声换能器作为核心部件，其设计原理和应用显得尤为重要。
本文将深入探讨新型超声换能器的设计原理与应用，帮助读者对这一领域有更深入的理解。
二、超声技术概述超声技术是利用超声波在物质中传播、反射、吸收及散射的特性，通过对超声波信号进行处理和应用，来实现对物质的检测、成像、加工等技术。
超声波频率一般为20kHz至100MHz，根据频率不同可分为低频超声和高频超声。
超声波在直接作用于物质时，具有声压较大、功率密度较大、能量传递效率高等特点，因而在材料处理、医学影像、药物输送等领域有着广泛的应用。
三、超声换能器的基本原理超声换能器是将电能转换成超声波能的装置，也可以将超声波能转换成电能。
超声波是以特定频率振荡的声波，因此超声换能器必须具备振荡频率稳定、能量转换效率高、抗干扰能力强等特点。
根据工作原理和应用场景不同，超声换能器可分为压电式超声换能器、磁致伸缩式超声换能器、共振式超声换能器等类型。
四、新型超声换能器的设计原理1. 压电式超声换能器压电式超声换能器利用压电效应，将电能转换成超声波能或反之。
其结构包括压电陶瓷、振动系统和负载匹配层等组成。
当外加电场时，压电陶瓷发生形变，产生超声波。
在设计时，需要考虑陶瓷的选择、振动系统的设计、频率和阻抗匹配等问题。
2. 磁致伸缩式超声换能器磁致伸缩式超声换能器利用磁致伸缩效应，将电能转换成超声波能或反之。
其关键部件包括磁致伸缩材料、线圈、振动系统等。
在设计时，需要考虑磁致伸缩材料的选择、线圈的匹配、振动系统的优化等问题。
3. 共振式超声换能器共振式超声换能器利用共振效应，将电能转换成超声波能或反之。
其设计需要考虑器件的共振频率、匹配层的设计、共振系统的优化等问题。
共振式超声换能器在精密加工、材料处理等领域有重要应用。
五、新型超声换能器的应用展望新型超声换能器在医疗、材料、清洁能源等领域有着广阔的应用前景。
超声换能器原理研究
吉林大学硕士研究生学位论文
图 2－ 5
极化后的压电陶瓷（P 为极化方向）
图 2－ 6
压力对极化强度的影响
我们对压电效应作如下定义：某些各向异性的晶体（如石英、电气石、 压电陶瓷等） ， 在机械力的作用下产生形变时， 会在相对的两个表面上出现等 量异号的束缚电荷，电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比；当外力撤 掉后，晶体恢复到不带电状态。这种没有外电场作用，仅仅由于介质的形变 而产生的极化现象称为正压电效应。晶体的这种特性称为压电性。如果将晶 体置于外电场中，它就会产生几何形变，这种现象称为逆压电效应。凡具有 正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应。 图 2－7 说明压电陶瓷圆柱体的压电效应 13 ，为了清楚起见，已将该效 应加以放大。 （a）表示在空载条件下的压电圆柱体。如果在压电陶瓷上沿极 化方向施加作用力 F，由于发生机械变形，使正负束缚电荷之间的距离发生 变化，则极化强度也将改变，且变化量与 F 和端面积的大小成正比。这样， 压电陶瓷表面上的束缚电荷和自由电荷也将随之增减。若压电陶瓷被压缩， 即极化强度变小，原来吸附于电极上的自由电荷有一部分被释放而出现放电 现象，如图（b）所示；若压电陶瓷被拉伸，则电极要吸附部分电荷而出现充 电现象，如图（c）所示。这种将机械能转变为电能的现象就是正压电效应。 如果将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至 另一极板，则会形成电流。
∆L = F / K + d 33φ = F / K + L 0 d 33 E 3
Q = d 33 F + Cφ = d 33 F + CL 0 E 3
（2－2）
式 中 ： k 为压电体轴向等效刚度 K = s 33 L 0 /A ； C 为压电体等效电容， T C = ε 33 A / h ；φ是压电体沿极化轴方向上下表面间的内电势差，φ = E 3 L 0 ； E 3 是压电体的轴向电场强度。在忽略压电体自感应电场影响的条件下，存在 φ＝U。
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。
超声波换能器材料的设计与研究
ＰｂＯ＋ｘＺｒＯ２＋（１－ｘ）ＴｉＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒｘ， Ｔｉ１－ｘ）Ｏ３ （１） 根据要求的 ＰＺＴ 性能，按照 ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３ 的 相图［６］确定组分比例 ｘ，再用分析天平按 ＰｂＯ、ＺｒＯ２、 ＴｉＯ２ 的摩尔数称量。考虑到在高温烧结过程中 ＰｂＯ 的挥发，通常需加入 １０％的过量 ＰｂＯ［７］。 ｂ． 混合 压电陶瓷坯体中的各种组分应当非常均匀地加 以混合。如果混合均匀性不好，则压电和介电性能一 般会受到损害。可用将按比例量好的 ＰｂＯ、ＺｒＯ２ 、 ＴｉＯ２ 的混合物研磨 １ 小时，使其混合均匀。 ｃ． 预烧 预烧的目的是除支混合物中的水分及其它可挥 发的杂质。预烧时间为３ 小时左右，预烧温度在６００ ℃为宜。预烧温度不能太高，因为当温度达到８００℃ 时，ＰｂＯ 将开始挥发。 ｄ． 研磨 研磨可以使组成的不均匀性和预烧产生的不均 匀性得到改善，一般要求颗粒磨到 ｌ～１０ μ ｍ 互间。 ｅ． 成形 可用专用压片机在一定压力下将混合物压成所 需试样。 ｆ． 烧结 把压制成形的试样放入坩埚中进行加温烧结， 加温速度以３～５℃／ｍｉｎ为宜， 烧结温度可取１２００℃ 左右，然后保温２小时。其反应过程分为三步。即［８］， 反应第一步， ＰｂＯ＋ＴｉＯ２ →ＰｂＴｉＯ３ （２） 反应第二步， ＰｂＴｉＯ３＋ＰｂＯ＋ＺｒＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３ （３） 反应第三步（ｘ＜ｘ’）， Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３＋ＰｂＴｉＯ３→Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ’，Ｔｉｘ’）Ｏ３ （４） ｇ． 坯件加工 许多压电陶瓷零件，需要正确的尺寸和光滑的 表面，以便与复杂的换能器的其他元件相装配。常用 的研磨机器采用 Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ 或金刚砂作为研磨介质， 水为主要的冷却剂。 ｈ． 上电极 导电极是每个压电陶瓷换能器不可缺少的部分， 最常见的形式是上一层银。上银时，可使用市面上的 银浆，用常温干燥或高温燃烧使它与陶瓷表面牢固 结合成为连续的导电层。 ｉ． 极化 即在高电场下，使铁电体电畴的取向尽量一致。
超声换能器设计方案
超声换能器设计方案
超声换能器是一种将电能转化为声能的装置。
它是超声波传感器中的核心部件，常用于医疗、工业和民用领域。
超声换能器设计方案应充分考虑以下几个方面：
1.材料选择：超声换能器需要使用具有良好声波传导性能的材料，常用的材料有铅锆酸钛陶瓷、PZT陶瓷等。
选择合适的材料可以提高声能的转化效率。
2.结构设计：超声换能器通常由活塞、震荡平台和壳体组成。
活塞是将电能转化为声能的关键部件，应设计成能够有效振动的形状，并与震荡平台紧密连接，以提高振动的传导效率。
壳体应具备良好的密封性能和机械强度，以保护内部组件不受外界环境的影响。
3.电路设计：超声换能器需要与外部电源相连，电路设计应考虑电源适配、信号放大以及保护等方面。
合理设计电路可以提高超声换能器的工作效率和稳定性。
4.尺寸和频率选择：超声换能器的尺寸和频率选择应根据具体应用需求来确定。
如果需要通过物体进行穿透检测，通常选择低频超声换能器，尺寸较大。
而在医疗领域，常选择高频超声换能器，尺寸较小。
5.测试和验证：设计完成后，需要进行测试和验证。
测试可以通过测量声能的输出量来评估超声换能器的性能。
验证可以通
过实际应用场景中的测试来验证超声换能器的可靠性和稳定性。
总之，超声换能器设计方案需要综合考虑材料选择、结构设计、电路设计、尺寸和频率选择等多个方面。
通过合理的设计，可以提高超声换能器的性能和可靠性，满足具体应用需求。
自聚焦PVDF超声换能器制作与研究
自聚焦PVDF超声换能器制作与研究针对目前常用的压电陶瓷换能器加工难度大、制作周期长、成本高等问题，文章设计制作了一种基于PVDF压电薄膜的自聚焦超声换能器，充分利用PVDF 薄膜成本低、易加工、耐腐蚀等优点。
文章进行的声场测试表明，制得的自聚焦PVDF超声换能器尺寸达到了7mm，中心频率为5MHz，纵向分辨率为0.38mm，横向分辨率为1mm，和模拟值相符。
相比于常用的压电陶瓷换能器，文章极大程度上降低了制作成本，并有改造成内窥用超声换能器的潜力。
标签：光声成像；超声换能器；PVDF；自聚焦1 概述光声成像技术是一种新型的无损成像技术，结合了普通光学成像和超声成像的优点，具有穿透深度大、成像分辨率高、安全无损等众多优点，在血管生物学[1]、肿瘤学[2]等方面已经得到了广泛的应用。
光声成像技术的主要原理是目标物体接受短脉冲激光照射迅速吸收激光照射产生的能量，之后产生热能而振动对外发出超声信号，光声成像的结果实际反映的是目标物体各位置的光吸收系数，光声成像技术所产生的超声信号可以用超声换能器来接收。
压电原理是超声换能器设计制作中常用的原理，压电原理指的对某种材料施加电场会引起材料本身的形变，而材料本身如果发生形变又会使材料产生电场，这种材料就叫做压电材料。
PVDF压电薄膜是压电换能器制作中常用的压电材料，已经被广泛应用在生物医学检测中，虽然PVDF压电薄膜的中心频率通常不如另外一种常用的压电材料-压电陶瓷，但PVDF压电薄膜的加工难度与加工成本远低于压电陶瓷，其本身易弯曲的特性也使它能适用于多种形状的压电换能器，而且其本身的声阻抗值和人体组织更加匹配，所以本文选择适用PVDF压电薄膜来作为压电材料。
聚焦超声换能器又是超声换能器的一大重要分支，实现聚焦的方式主要有主动式聚焦、被动式聚焦和相控阵聚焦。
主动式聚焦是指通过改变换能器本身形状来实现聚焦，一般是将换能器的压电单元制成球面或柱面；被动式聚焦主要实现方式是使用一些辅助手段聚集超声能量来实现聚焦，目前国内外的主要手段是在换能器前部添加一个声透镜；相控阵聚焦是指通过电子控制排列超声换能器阵列来实现聚焦，它可以调节换能器的焦距、焦斑大小等。
压电超声换能器原理及研究进展
压电超声换能器在环境检测中可用于土壤检测、水质检测和大气污染监测等方面，为环境保护提供了有效手段。
压电超声换能器在食品安全中的应用
压电超声换能器在食品安全领域中可用于检测食品中的异物、检测食品质量和监测食品加工过程等方面，确保 人们的食品安全。
高频压电超声波的产生技术
高频压电超声波的产生技术包括数字控制、谐振器设计和驱动电路设计等关 键技术，可实现更高分辨率和更精准的控制。
压电超声波的传播特性
压电超声波在传播过程中会发生衰减和散射，传播距离和传播速度与频率、震源尺寸等因素相关。
压电超声换能器的基本结构
压电超声换能器由压电材料、电极和衬底组成。不同结构的换能器适用于不 同的应用场景。
压电超声换能器的工作原理
当压电超声换能器受到交变电压刺激时，压电材料会发生形变，从而产生超 声波信号。
压电超声换能器的新型材料研 究
研究人员正在不断探索新型压电材料，以提高压电超声换能器的性能和应用 范围，如纳米压电材料和可生物降解材料。
压电超声传感器的故障分析和 维修
当压电超声传感器发生故障时，需要进行故障分析并采取相应措施进行维修， 以保证其正常使用。
压电超声换能器的未来发展趋 势
随着科技的不断进步，压电超声换能器将继续发展，向着更小、更高频率、 更高灵敏度和更智能化的方向发展。
压电超声换能器原理及研 究进展
压电超声换能器是一种常用于医学和工业领域的设备，利用压电效应将电能 转换为超声波。本演示将介绍压电超声换能器的原理、性能比较以及广泛料在受压时会产生电荷分离现象，从而产生电压。这一原理是压电超声换能器工作的基础。
压电材料的分类
压电材料可分为两大类：无机压电材料和有机压电材料。其中，无机压电材 料具有较高的压电系数和温度稳定性，被广泛应用于超声传感器。
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。
超声换能器设计方案
设计方案：包括换能器的结构、材料、制造工艺等方面的设计
01
实验验证：通过实验验证设计方案的可行性和有效性
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展望未来：分析超声换能器技术的发展趋势和挑战
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性能指标：包括换能器的频率、功率、效率等方面的性能指标
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成果应用：探讨设计方案在实际应用中的效果和前景
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对未来研究方向和可能的改进进行展望
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设计原理和方案
简述超声换能器的工作原理
超声换能器是一种将电能转化为机械能的设备，通过压电效应实现能量转换。
01
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超声换能器主要由压电陶瓷、金属电极和匹配层组成，当在压电陶瓷上施加电压时，陶瓷会发生形变，从而产生机械振动。
03
超声换能器的工作频率通常在20kHz至10MHz之间，频率越高，产生的超声波波长越短，能量越集中。
设计方案：包括换能器结构、材料选择、制造工艺等方面
结构设计：根据应用场景和需求，选择合适的换能器形状和尺寸
分析设计方案的优势和不足
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材料选择和加工工艺
探讨材料选择的原则和要点
材料性能：根据换能器的工作原理和性能要求，选择合适的材料
成本控制：在满足性能要求的前提下，选择成本较低的材料
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加工工艺：根据材料的特性和加工工艺，选择易于加工的材料
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仿真分析和实验验证
介绍使用仿真软件进行设计分析的流程和方法
建立仿真模型：根据实际需求和物理定律，建立仿真模型，包括几何模型、材料属性、边界条件等
优化设计方案：根据仿真结果，优化设计方案，提高性能和可靠性
确定仿真目标：明确仿真的目的和要求，如性能、结构、热传导等
基于声学超材料的超声换能器设计
基于声学超材料的超声换能器设计声学超材料是一种新颖的材料，通过控制声波的传播和干涉效应，实现对声波的调控和控制。
基于声学超材料的超声换能器设计是一项研究声波转换的技术，可以将电能转换为声能，或将声能转换为电能，从而实现声波的发射和接收。
在声学超材料的超声换能器设计中，首先需要选择合适的超材料结构。
超材料通常由多种材料组成，这些材料的特性决定了声波的传播和调控效果。
设计过程中需要考虑超材料的频率响应范围、吸声性能、波导效应等参数。
其次，超声换能器的设计需要考虑到工作频率和换能效率。
根据应用的需要，确定工作频率是非常重要的，这决定了超声换能器对声波的响应能力。
同时，换能效率是评价超声换能器性能的重要指标，设计要尽可能提高换能效率，使得声能和电能之间的转换更加高效。
超声换能器的结构设计也是关键的一步。
常见的超声换能器结构包括压电换能器和电磁换能器。
压电换能器使用压电材料的特性，以压电效应将电能转换为声能或者声能转换为电能；电磁换能器则利用电磁感应原理将声波转换为电能或电能转换为声能。
根据具体的需求和应用场景，选择合适的超声换能器结构进行设计。
此外，超声换能器的尺寸和形状也需要进行合理的设计。
超声换能器的尺寸和形状会影响声波在材料中的传播特性和工作频率响应。
因此，在设计过程中需要充分考虑超声换能器的尺寸和形状参数，并进行优化。
总结来说，基于声学超材料的超声换能器设计是一项复杂而有挑战性的任务。
它需要综合考虑材料的特性，选择合适的超材料结构；确定工作频率和提高换能效率；设计符合需求的超声换能器结构；并进行尺寸和形状的优化。
通过科学的设计和优化，基于声学超材料的超声换能器能够发挥重要的应用作用，如医疗超声成像、声波传感和通信等领域。
超声波焊接机换能器的设计
超声波焊接机换能器的设计1. 引言超声波焊接技术是一种常用的非常规焊接方法，通过超声波振动将焊接接头加热至熔点，实现接头的焊接。
而超声波焊接机的核心部件就是换能器，它能将电能转换为机械能，产生高频振动，从而实现焊接。
本文将详细介绍超声波焊接机换能器的设计，包括换能器的原理、设计要求、材料选择、结构设计等方面的内容。
2. 换能器的原理超声波焊接机的换能器是一种能将电能转换为机械能的装置，其原理基于压电效应。
压电材料在电场的作用下会发生形变，而当施加的电场频率与材料固有频率相同时，形变达到最大值。
利用这个原理，换能器可以将电能转换为机械能，并产生高频振动。
3. 设计要求超声波焊接机换能器的设计需要满足以下几个基本要求：3.1 高效率换能器需要能够将输入的电能高效地转换为机械能，并将能量传递给焊接接头，以实现快速而稳定的焊接。
3.2 耐高温焊接过程中，换能器需要承受高温环境，因此需要选择能够在高温下保持稳定性能的材料。
3.3 高可靠性换能器需要具备良好的可靠性，能够长时间稳定工作，不易发生故障。
3.4 易于安装和维护换能器的结构设计应该简单，方便安装和维护，以提高使用效率。
4. 材料选择超声波焊接机换能器的材料选择是设计的关键之一。
常用的材料包括压电陶瓷、钛合金、不锈钢等。
4.1 压电陶瓷压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有良好的压电性能和高温稳定性。
常用的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛酸钡）和PZT-8等。
4.2 钛合金钛合金具有良好的机械性能和耐高温性能，适合用于超声波焊接机换能器的制作。
4.3 不锈钢不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，也是一种常用的换能器材料。
5. 结构设计超声波焊接机换能器的结构设计需要考虑振动效果和焊接接头的适配性。
5.1 换能器头换能器头是换能器的核心部件，其形状和尺寸会影响焊接效果。
常见的换能器头形状有圆形、方形等，尺寸可以根据具体需求进行设计。
5.2 固定装置换能器需要通过固定装置固定在超声波焊接机上，以保证焊接过程中的稳定性。
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参考文献 ［１］ 薛 劲 松 、宋 宏 ．ＣＩＭＳ 的 总 体 设 计 ．北 京：机 械 工 业 出 版 社，１９９８ ［２］ 白 庆 华 、何 玉 林 ．ＣＩＭＳ 中 的 系 统 集 成 和 信 息 集 成 ．北 京： 电子工业出版社，１９９７ ［３］ Ｃｈａｒｉｓｔｏｐｈ Ｚｏ１１ｅｒ．Ｆｒｏｍ Ｐｒｅｓｅｔｔｉｎｇ ｔｏ ｔｏｏｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｌ９９８，５０（３）：３４－３８
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的不同要求，可以选用不同的锆钛比成分来配方。例 如，要求高 Ｋｐ（机电耦合系数），高∈（介电常数） 的材料，就需要选择铬钛比个相界附近的配方；如果 要求高 Ｑｍ（机械品质因数），低 Ｋｐ 的材料，就往往 选取离开相界的铬钛比的配方。所以，ＰＺＴ 压电陶 瓷材料的性能可以通过改变锆钛比来进行调节。
石英晶体的伸缩量太小，３０００Ｖ电压才产生０．０１ μ ｍ 以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大 ２０～３０ 倍，但效率和机械强度不如石英晶体。锆钛 酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗，探伤 和小功率超声波加工的换能器［２］。
一、锆钛酸铅的结构与相图 锆钛酸铅是 ＡＢＯ ３ 型钙钛矿结构的二元系固溶 体，其化学式为 Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）Ｏ３。晶胞中的 Ｂ 位置可 以是 Ｔｉ４ ＋，也可以是 Ｚｒ４ ＋。由于 Ｔｉ４ ＋的离子半径（ ０．６４ 埃）和 Ｚｉ４ ＋离子半径（０．７７ 埃）相近，且两种 离子的化学性能相似，所以 ＰｂＴｉＯ３ 与 ＰｂＺｒＯ３ 能以 任何比例形成连续固溶体。对于锆钛比例不同的固 溶体，由于其内部条件不同，所以结构和性能也不 同。从研究它的相图可知，在相变温度以下。在难同 型相界的右边（即富钛一边），固溶体为四方晶相； 相界的左边（即富锆那一边）为三角品相。这两种晶 相的晶体都具有压电效应。且四方晶相的自发极化 方向沿晶胞伸长的轴；三角品相的自发激化方向则 活品胞的空间对角线方向。 在相变温度以下，铬钛比 １００／０ 到 ９４／６ 的狭窄 范围内，固溶体属反铁电正交结构，无压电效应［３］。 在生产设计上，根据各种压电器件对材料性能
超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶 体换能器两类。
属于磁致伸缩的有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低。一般使用一、 二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。镍片 换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今很少使用［１］。
目前，广泛使用压电晶体换能器。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（ＢａＴｉＯ３） 和锆钛酸铅（ＰｂＴｉＺｒＯ３，简称 ＰＺＴ）。
２００４ 年第１ 期（总第１５７期）
采用同时加入两种或两种以上等价离子的取代方法， 称为“复合取代”。复合取代往往可以兼顾两种取代 离子的优点，而部分地克服单一取代的缺点。例如， 同时加入 Ｓｒ２＋，Ｂａ２＋ 或 Ｓｒ２＋，Ｍｇ２＋ 或 Ｓｒ２＋，Ｂａ２＋，Ｍｇ２＋ 等。当比例调整适当时，可以得到 Ｋｐ 值高，频率温 度稳定性好的 ＰＺＴ 陶瓷材料。
n
∑ 即 Ｔ＝（ CiPi ＋Ｃｎ＋１） ｍｏｄ Ｍ。
i=1
如果 Ｔ＝０，则编码正确，否则，编码出错。 例如上例中编码，Ｔ＝（Ｓ＋Ｒ）ｍｏｄ Ｍ＝（１２５＋５） ｍｏｄ １０＝０。说明输入的编码正确。
六、小节 刀具编码系统采用柔性编码系统，克服了传统 编网系统在描述时出现的多义性，达到快捷、详尽准 确的完成信息描述。系统采用柔性编码不仅在刀具 信息传播中起到重要作用，同时为建立 ＣＩＭＳ 公用数 据库打下了基础。
（下转第３５页）
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２００４ 年第１ 期（总第１５７期）
１２＝１２５。则校验码 Ｃｎ＋１＝Ｒ＝１２５ ｍｏｄ １０＝５。 所以带校验码的编码为
ＤＸＣＲＳＬ５０１６３５２００１０２５。 用校验码检错的过程 如果编码为 Ｃ１、Ｃ２、…、Ｃｎ、Ｃｎ＋１，其中 Ｃｎ＋ｌ
为校验码，输入时对编码每一位乘以它原来的权值， 其中校验码的权值为 １，用所得和除以模得余数 Ｔ。
２、高价离子置换 它是指用比 Ｐｂ２＋、Ｔｉ４ ＋或 Ｚｒ４ ＋化合价高的金属 离子置换 ＰＺＴ陶瓷中部分Ｐｂ２＋ 或Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４＋）。例如， 用 Ｌａ３＋、Ｂｉ３＋、Ｓｂ３＋ 等离子置换 Ｐｂ２＋；用 Ｎｂ５＋， Ｔａ５＋， Ｗ６＋ 等离子置换 Ｔｉ４ ＋ （Ｚｒ４ ＋ ）。高价离子置换，使得 ＰＺＴ 陶瓷材料性能变“软”，故又称软件添加物改性。其 变化规律一般为： ａ． 介电系数∈ 增大； ｂ． 机械品质因素 Ｑｍ 降低； ｃ． 机电耦合系数 Ｋｐ 升高； ｄ． 电滞回线变成矩形，矫顽场 Ｅｃ 降低； ｅ． 老化性能改善； ｆ． 烧结温度降低。 ３、低价离子置换 它是指用比 Ｐｂ２＋ 或 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４＋）化合价低的金属 离子置换 ＰＺＴ 陶瓷中部分 Ｐｂ２＋ 或 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４ ＋）。如用 Ｋ ＋ 、Ｎ ａ ＋ 等离子置换部分 Ｐ ｂ ２ ＋ ；用 Ｍ ｇ ２ ＋ ，Ａ ｌ ３ ＋ ， Ｆｅ３＋，Ｓｃ３＋ 和 Ｉｎ３＋ 置换 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４ ＋）。这些离子在 ＰＺＴ 陶瓷中的作用是使材料性能变“硬”，故又称为硬性 添加物改性。其变化规律一般是： ａ． 介电系数∈ 降低； ｂ． 压电性能下降，如 Ｋｐ 下降； ｃ． 机械品质因数 Ｑｍ 提高； ｄ． 矫顽场 Ｅｃ 提高，极化和去极化困难； ｅ． 密度增大。 总之，对于 ＰＺＴ 陶瓷，采取改变 Ｚｒ／Ｔｉ 比值或 添加改性物等方法，可以调节和改进电性能。ＰＺＴ陶 瓷与 ＢａＴｉＯ３ 了陶瓷相比，压电性能优良，居单温度 高，电性能稳定性好。改变组分和添加物，容易得到 各种不同的压电陶瓷。它是目前广泛应用的一种压 电陶瓷材料。主要用于制作超声换能器、水声换能 器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器等。 三、ＰＺＴ 压电陶瓷的制备 ＰＺＴ 压电陶瓷的制备一般分为原料的称量、混 合、预烧、研磨、成形、烧结等步骤［５］。实验中可参 考下述过程， ａ． 称量 在如下的反应式中，
（上接第１９页）
极化能左右压电陶瓷的特性，而且还能影响其老化 特性。对 ＰＺＴ 陶瓷一般在 ３０－４０ｋＶ／ｃｍ 的电场下进 行极化，极化时间为 ３０ 分钟到 １ 个小时，大多是在 油浴中进行。
ＰＺＴ 压电陶瓷的结构和形貌可通过 Ｘ 射线衍射 （Ｘ Ｒ Ｄ）及扫描电镜（Ｓ Ｅ Ｍ）进行观测，介电性能可
见阻抗分析仪测量，或用铁电性能测试仪进行测量。 激光多普勒于涉仪用于对换能器的谐振特性以及振 动速度和位移分知行测量和分析。
四、当前的研究热点与方向 从 １９５４ 年发现 ＰＺＴ 铁电陶瓷的优异压电性能 以来，它成了直到几兆赫这个频段里的主要的换能 器材料。包括声纳换能器和各种超声应用的换能器 ［９］。Ｊａｆｆｅ等［５］于１９７１首次对这种材料作了较详细论 述。事实上压电陶瓷材料的应用十分广泛，在不同的 使用场合，对它的性能要求是不同的。现在发展起来 的各种各样的压电陶瓷配方，都是为了适应不同的 使用要求而设计的。例如用作水声换能器材料，属接 收型的（如水听器接收振子）要求压电应变常数 ｇ３３ 或 ｇ３１ 要大，机电耦合系数 ＫＰ 要高等；属发射型的 （如声纳发射振子），则首先要求强电场下的介质损 耗 ｔｇ δ小，机抛品质因素 Ｑｍ 高，压电性能不易衰 退；电声材料的共同要求是耦合系数大，介电常数 高。有些性能要求是相互矛盾的，例如 Ｑｍ值高的材 料，Ｋｐ 值往往就低；介电常数大的材料，ｔｇ δ往往 也大：Ｋｐ 值高的材料，稳定性可能不太好等等。但 是，通过不断的研究和改进，能够克服这些矛盾而兼 有多种优点的配方愈来愈多地出现了。 掺杂改性从 ５０年代末六十代初开始研究，到现
ＰｂＯ＋ｘＺｒＯ２＋（１－ｘ）ＴｉＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒｘ， Ｔｉ１－ｘ）Ｏ３ （１） 根据要求的 ＰＺＴ 性能，按照 ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３ 的 相图［６］确定组分比例 ｘ，再用分析天平按 ＰｂＯ、ＺｒＯ２、 ＴｉＯ２ 的摩尔数称量。考虑到在高温烧结过程中 ＰｂＯ 的挥发，通常需加入 １０％的过量 ＰｂＯ［７］。 ｂ． 混合 压电陶瓷坯体中的各种组分应当非常均匀地加 以混合。如果混合均匀性不好，则压电和介电性能一 般会受到损害。可用将按比例量好的 ＰｂＯ、ＺｒＯ２ 、 ＴｉＯ２ 的混合物研磨 １ 小时，使其混合均匀。 ｃ． 预烧 预烧的目的是除支混合物中的水分及其它可挥 发的杂质。预烧时间为３ 小时左右，预烧温度在６００ ℃为宜。预烧温度不能太高，因为当温度达到８００℃ 时，ＰｂＯ 将开始挥发。 ｄ． 研磨 研磨可以使组成的不均匀性和预烧产生的不均 匀性得到改善，一般要求颗粒磨到 ｌ～１０ μ ｍ 互间。 ｅ． 成形 可用专用压片机在一定压力下将混合物压成所 需试样。 ｆ． 烧结 把压制成形的试样放入坩埚中进行加温烧结， 加温速度以３～５℃／ｍｉｎ为宜， 烧结温度可取１２００℃ 左右，然后保温２小时。其反应过程分为三步。即［８］， 反应第一步， ＰｂＯ＋ＴｉＯ２ →ＰｂＴｉＯ３ （２） 反应第二步， ＰｂＴｉＯ３＋ＰｂＯ＋ＺｒＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３ （３） 反应第三步（ｘ＜ｘ’）， Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３＋ＰｂＴｉＯ３→Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ’，Ｔｉｘ’）Ｏ３ （４） ｇ． 坯件加工 许多压电陶瓷零件，需要正确的尺寸和光滑的 表面，以便与复杂的换能器的其他元件相装配。常用 的研磨机器采用 Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ 或金刚砂作为研磨介质， 水为主要的冷却剂。 ｈ． 上电极 导电极是每个压电陶瓷换能器不可缺少的部分， 最常见的形式是上一层银。上银时，可使用市面上的 银浆，用常温干燥或高温燃烧使它与陶瓷表面牢固 结合成为连续的导电层。 ｉ． 极化 即在高电场下，使铁电体电畴的取向尽量一致。