超声换能器特性回望
超声换能器的定义及工作原理
超声换能器的定义及工作原理超声换能器的定义及工作原理天堂的乌鸦的日志- 网易博客换能器参数是分三种:1.压电陶瓷片参数(可由生产厂商提供)2.小信号测量换能器(书上有介绍方法,目的为匹配和检查换能器的质量)3.大功率测量(实际产品,现很少有做测量的有效方法)换能器测量时包括的参数:F:谐振频率(既阻抗最小时的状态)FS:反谐振频率(阻抗最大时的状态)F1-F2:带宽R:动态电阻(阻抗)C0:静电容(电容表就可测得)C1:动态电容(匹配参数)L1:动态电感(匹配参数)以上数据可以通过阻抗分析仪/HP4139可以测得关键的是动态的参数1、从纯电学角度：它就是个电容，用电阻表量，不通；用电容表量有几百几千PF的容值；2、从纯机械角度：它是个能谐振的弹性东西，振动在它内部有特殊的模式，象二胡的琴弦，但比它要复杂一点，在不同频率下表现出串联谐振和并联谐振特性；3、从电声学角度：它是个转换器，加电压产生体积变化，限制它体积变化，就对限制它的物体产生力；加力在上就产生电压。
这种转换就象我们电源中用的变压器，描述变压器转换的参数是匝变比n，输入Vp输出Vs，则转换用Vp=-nVs表示，变压器两侧的参数都是电压V。
而描述换能器转换的参数是电声转换系数（电声比）Φ，电端参数电流I，声端(或叫机端)参数是声速v，转换用I= -Φv表示。
因为电学网络分析的理论较成熟，所以把力学向电学靠拢，就是说用电学的描述方式（如V、I、R、L、C等）来描述力学的规律。
在等效图的机端，力F相当于电学的电压V，声速v相当于电学的电流I，力阻抗Zm相当于电阻R。
于是在机端一侧，欧姆定律的力学形式为：F= v·Zm；机端侧的Lm、Cm等只做分析和理解用，是虚拟参数，难以实测，但可以通过其它参数的测量推算出来，如果用的到的话。
对物体施力物体就有状态变化的趋势，阻值形态变化的因素就是力阻Zm产生的原因，如损耗、变为动能、弹性势能等其它能量，于是Zm = Rm + j·Xm = Rm + j·（ωM -K/ω）可以这样理解：损耗因素Rm将能量转化为换能器以外的其它能量如热损，这种能量转换是不可逆的；Xm可以理解为象LC等电元件那样存储能量的因素，包括转变为机械动能的ωM 项、产生弹性形变后变成弹性势能的K/ω项，储能这两项只是暂时存储能量，什么时候回收、什么时候它们之间相互转换，不同形、材的换能器就有不同的表现。
超声换能器特性回望
综 述超声换能器特性回望李 衍(江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡 214187)摘 要:回望并介绍了超声换能器影响检测灵敏度和分辨力的若干重要物理特性,有助于换能器的更新换代和缺陷定量定性技术的完善与提高,也有助于T OFD 、相控阵、SH 横波和导波等UT 新技术的推广应用。
关键词:超声换能器;物理特性;超声检测中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2006)02-01-051 压电换能器换能器是将一种形式的能量转换成另一种能量的器具。
超声换能器能将电能转变成机械能(声能),也能将机械能(声能)转变成电能。
现代探伤有几种方法可产生和检出超声脉冲,最常用的是利用某些材料的压电效应。
其它还有电磁声换能器(EM AT )和激光技术。
1880年居里兄弟发现:从某些晶体材料按特定方向切割下来的薄片,当受机械力作用产生变形时,会在薄片两面产生电压,他们称此现象为“压电”。
翌年,李普曼又发现了相反的现象:加在薄片两面的电压也会使薄片产生机械变形(即逆压电效应)。
石英(SiO 2)是压电材料的典型,四水酒石酸钾钠(罗谢尔盐)和电石晶体也显示相同效应。
在超声探伤最初30年间,从1929年直到19世纪50年代末,石英一直是最常用的换能器材料。
所需薄片是从石英单晶体上切割下来的。
随后,又开发了新的多晶材料。
这种材料电阻抗较低(耐高频),超声特性较优,效率比石英高60%～70%。
做换能器前,多晶材料须经极化处理。
极化时,各晶体按同向排列整齐,以使其综合效应相干;极化方法:将多晶薄片置于油浴槽中加热到接近临界温度即居里温度,并在薄片两侧施加强静电场,然后使之降温缓冷(图1)。
超声探伤常用的压电材料,其居里温度各不相同,故油浴槽温度需根据所使用的压电材料加热到适当温度。
如:钛酸钡(BaT iO 3)的居里温度约为120℃,图1 压电晶片的极化而不同牌号的锆钛酸铅(PbZrT iO 3,缩写PZT ),居里温度为190℃～350℃,偏铌酸盐(PM N)约为400℃。
超声换能器特性
以下是中心频率标称为70KHz的压电换能器的电学特性：
一：在空气中
电导G随频率f变化的曲线（在69.02KHz达到最大值）
并联电容Cp随频率f变化曲线
并联电阻Rp随频率f变化曲线(在69KHZ左右最小）
G
Rp
其中，蓝线代表电导随频率变化曲线，绿线代表并联电阻Rp随时间变化曲线
G
Cp
蓝线代表电导G随时间变化，绿线待变并联电容Cp随频率变化曲线
Cp
Rp 蓝线为并联电阻随频率变化曲线，绿线并联电容随频率变化曲线
二：在水中（刚好将整个发射头浸没在水中）
压电换能器放在水中，其电导值随时间变化如上图，在68.8左右达到一个最高峰，在70.5左右也有一个高峰，但是之后又会随即下降，图中对之后的数据没有画出，在这里说明
并联电阻Rp值随频率的变化在68.6左右是一个最低峰，之后还有起伏变化，如图所示
水中的并联电容随频率的变化
蓝线代表电导G，绿线代表并联电阻Rp，G的峰值与Rp的最小值大致在同一个频率，但还
是存在一定的偏差
红线代表电导G(us)，绿色虚线代表并联电容Cp(pF)
蓝线代表并联电阻Rp，绿线代表并联电容Cp(pF)
三：水中与空气中特性的比较
蓝线代表水中G随频率f变化的曲线，绿线代表空气中的G随频率变化的曲线，从图中可以清晰的辨别其峰值频率的不同，说明器件在水中和空气中的串联谐振频率是不同的
G值的大小数值的清晰比较，在水中G值显著减小，单位为（us)
蓝线代表在水中器件的并联电阻Rp随频率的变化曲线，绿线代表空气中的Rp，单位为（Ω）
蓝线代表水中时器件的并联电容Cp随频率的变化，绿线代表空气中的Cp，单位是（pF）。
超声波聚能换能器-概述说明以及解释
超声波聚能换能器-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：超声波聚能换能器作为一种新型的能量转换器，在现代科技领域具有广泛的应用。
通过将电能转化为超声波能量，实现了高效能量传输和聚焦功效。
本文将详细介绍超声波聚能换能器的原理、应用领域、优势和特点，以期为读者提供全面的了解和参考。
超声波聚能换能器的发展前景十分广阔，将在未来的科技领域有着巨大的应用潜力。
文章结构部分的内容应该包括对整篇文章的章节安排和内容概述，以便读者能够清晰地了解全文结构和主要内容。
在本文中，文章结构部分的内容可以按照以下方式编写:文章结构部分:本文分为引言、正文和结论三个部分。
1. 引言部分:1.1 概述: 回顾超声波聚能换能器的基本概念和发展现状。
1.2 文章结构: 简要介绍文章的结构和各部分内容安排，引导读者对整篇文章有一个整体的认识。
1.3 目的: 阐明本文撰写的目的和意义。
2. 正文部分:2.1 超声波聚能换能器原理: 详细介绍超声波聚能换能器的工作原理和技术特点。
2.2 应用领域: 探讨超声波聚能换能器在不同领域的应用情况，并分析其作用和效果。
2.3 优势和特点: 分析超声波聚能换能器相对于传统设备的优势和特点，以及可能存在的局限性。
3. 结论部分:3.1 总结: 总结本文的主要内容和结论，概括超声波聚能换能器的特点和应用前景。
3.2 发展前景: 展望超声波聚能换能器未来的发展方向和趋势。
3.3 结语: 结束全文，表达作者对超声波聚能换能器的看法和期待。
通过上述章节安排，读者可以清晰地了解本文的内容结构和主要议题，帮助他们更好地阅读和理解全文内容。
1.3 目的本文旨在深入探讨超声波聚能换能器的原理、应用领域、优势和特点，并总结其在工程和医疗领域的重要性和发展前景。
通过对超声波聚能换能器的全面分析，旨在为读者提供更深入的了解，促进该技术在不同领域的应用和推广，推动相关领域的科研和技术进步。
希望本文能够为相关研究人员和工程师提供一定的参考和指导，促进超声波聚能换能器技术的创新和发展。
超声换能器动态性能一致性评估方法
引用格式：王舒文, 章圣意, 林新霞, 等. 超声换能器动态性能一致性评估方法[J]. 中国测试，2023, 49(7): 118-124. WANG Shuwen, ZHANG Shengyi, LIN Xinxia, et al. Evaluation method of dynamic performance consistency of ultrasonic transducer[J].China Measurement & Test, 2023, 49(7): 118-124. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2022010013超声换能器动态性能一致性评估方法王舒文1， 章圣意2， 林新霞2， 林 恒2， 卜勤超3， 赵伟国1(1. 中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018; 2. 浙江苍南仪表集团股份有限公司，浙江 苍南 325800;3. 上海裕达实业有限公司，上海 200240)摘 要: 超声换能器是超声流量计中的核心传感器件，其动态性能决定超声流量计的计量准确性。
针对此问题，提出一种超声换能器动态性能测试方法，并对一致性进行评估。
该方法通过高斯模型和人工鱼群算法实现回波信号特征参数的最优估计，建立超声换能器的动态回波模型，并根据各超声换能器之间的回波特征参数计算欧氏距离，实现超声换能器的一致性评估。
流量实验结果表明，当超声换能器的欧氏距离减小时，零流量读数小于±0.012 m/s ，小流量的重复性优于0.2%，验证评估方法的可行性。
关键词: 超声换能器; 动态性能; 一致性评估; 流量测量中图分类号: TH814;TB9文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2023)07–0118–07Evaluation method of dynamic performance consistency of ultrasonic transducerWANG Shuwen 1, ZHANG Shengyi 2, LIN Xinxia 2, LIN Heng 2, BU Qinchao 3, ZHAO Weiguo 1(1. College of Metrological and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. Zhejiang Cangnan lnstrument Group Co., Ltd., Cangnan 325800, China;3. Shanghai YuDa Industrial Co., Ltd., Shanghai 200240, China)Abstract : Ultrasonic transducer is the core sensor of ultrasonic flowmeter and its dynamic performance determines the measurement accuracy of ultrasonic flowmeter. In order to solve this problem, a dynamic performance method of ultrasonic transducer is proposed and their consistency is evaluated. The Gaussian model and artificial fish-swarm algorithm are used to get the optimal estimation of echo signal characteristic parameters. The dynamic echo model of ultrasonic transducers is established. The Euclidean distance is adoped to calculated the consistency according to the echo characteristic parameters between ultrasonic transducers.Finally, the zero flowrate values are less than ±0.012 m/s and the repeatability of small flowrate is less than 0.2% when the ultrasonic transducers of the smaller Euclidean distance are used in the experiments. The feasibility of the evaluation method is verified.Keywords : keys:ultrasonic transducer; dynamic performance; consistency assessment; flow measurement收稿日期: 2022-01-04；收到修改稿日期: 2022-02-10基金项目: 国家市场监督管理总局科技计划项目(2019MK146)作者简介: 王舒文（1996- ），男，浙江杭州市人，硕士研究生，专业方向为流量计量测试和智能化仪表。
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。
2024年超声波换能器市场前景分析
2024年超声波换能器市场前景分析简介超声波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、工业和消费电子等领域。
本文将对超声波换能器市场的前景进行分析。
市场概述超声波换能器市场具有广阔的发展前景。
随着人们对高效、精确、无损的检测需求的增加，超声波技术得到了广泛应用。
超声波换能器作为超声波技术的关键组件之一，其市场需求也在不断增长。
市场驱动因素1.医疗需求增加：随着人口老龄化和医疗技术的进步，超声波换能器在医疗领域的应用不断扩大，如超声影像、超声治疗等。
预计在未来几年内，医疗行业对超声波换能器的需求将持续增长。
2.工业应用增加：超声波换能器在工业领域的应用也在快速增长，如超声波清洗、超声波焊接等。
工业界对高效、低成本、无损的生产工艺的需求将推动超声波换能器市场的发展。
3.消费电子市场扩大：随着智能手机、智能家电等消费电子产品的普及，对超声波换能器的需求也在增加。
超声波传感技术的应用将为消费电子市场带来新的机遇。
市场挑战1.技术难题：超声波换能器的质量和性能直接影响到其应用效果，如灵敏度、频率响应等。
在制造过程中，如何实现高质量、高性能的换能器仍然是一个技术难题。
2.市场竞争加剧：随着市场的增长，越来越多的厂商进入超声波换能器市场，竞争日益加剧。
如何在激烈竞争中保持竞争优势将是一个挑战。
市场趋势1.小型化：超声波换能器的小型化是市场的一个明显趋势。
随着技术的进步，厂商不断推出更小、更轻便的超声波换能器，以满足日益增长的便携化需求。
2.多功能化：超声波换能器在医疗、工业和消费电子等领域的应用需求不断增加，厂商也在不断开发具有多功能的换能器，以满足不同行业和领域的需求。
市场前景展望超声波换能器市场在未来几年内有望持续增长。
医疗、工业和消费电子领域对超声波技术的应用需求不断增加，将驱动超声波换能器市场的发展。
然而，市场竞争加剧和技术难题仍然是市场发展的挑战。
随着技术的不断进步和市场的不断发展，超声波换能器市场有望实现更大的突破和发展。
第三章医用超声换能器
第三章医⽤超声换能器第三章医⽤超声换能器应⽤超声波进⾏诊断时，⾸先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使⽤超声换能器可以解决这个问题。
⽬前医学超声设备⼤多采⽤声电换能器来实现超声波的发射与接收。
声电换能器按⼯作原理分为两⼤类，即电场式和磁场式。
电场式中，利⽤电场所产⽣的各种⼒效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它⼜分为压电式、电致伸缩式、电容式。
磁场式中，是借助磁场的⼒效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它⼜分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。
在医学超声⼯程中，使⽤的最多的是压电式超声换能器。
§3.1 压电效应与压电材料特性⼀、压电效应压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。
图3-1 压电效应⽰意图对某些单晶体或多晶体电介质，如⽯英晶体、陶瓷、⾼分⼦聚合材料等，当沿着⼀定⽅向对其施加机械⼒⽽使它变形时，内部就产⽣极化现象，同时在它的两个对应表⾯上便产⽣符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械⼒⼤⼩成⽐例；⽽且当外⼒取消后，电荷也消失，⼜重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。
当作⽤⼒的⽅向改变时，电荷的极性也随着改变。
相反，当在电介质的极化⽅向上施加电场(加电压)作⽤时，这些电介质晶体会在⼀定的晶轴⽅向产⽣机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。
如果在电介质的两⾯外加交变电场时，电介质产⽣压缩及伸张，即产⽣振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产⽣机械波。
如外加交变电场频率⾼于20KHz，则这种波即是超声波。
超声接收换能器采⽤了正压电效应，将来⾃⼈体中的声压转变为电压。
超声波发射换能器采⽤了逆压电效应，将电压转变为声压，并向⼈体发射。
压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，⼜具有逆压电效应。
医学超声设备中，常采⽤同⼀压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时⼯作。
超声波的基本原理及换能器器的设计特点
超声波的基本原理及换能器器的设计特点a什么是超声波？超出人类听觉范围的声波（通常高于20KHZ）称为超声波。
然而用于超声无损检测及厚度测量的超声波频率范围通常是50~100KHz。
虽然超声波的表现方式与声波类似，但它的波长很短。
这意味着它可以反映很小的表面，如材料内部的缺陷。
正是这一特性使得超声波在无损检测中得到了广泛的应用。
如图1，声波频谱图可分为3个范围。
超声波又可进一步分为3部分。
a)频率、周期及波长超声波波形的振动传播方式与光波的传播方式类似。
然而不同于光波可以在真空中传播，超声波的传播需要一种弹性介质，如液体或固体。
如图（2）是连续波的基本参数。
这些参数包括波长和周期。
一秒内完成的周期数称为频率，用Hz为单位计量。
如下几个例子：•1周期/秒=1Hz•1000周期/秒=1KHz•1,000,000周期/秒=1MHz完成一个整波所用的时间称为周期，用秒为单位。
周期和频率的关系如连续波方程（1）所示。
方程.1 1f =1/Tb)超声波波速和波长超声波波速(c)在理想的弹性材料，特定温度和特定压力下是不变的。
C、f、λ和T之间的关系如方程2，3所示：方程.2 λ=c/f方程.3 λ=cTλ=波长c =材料声速f=频率T =周期40页附表一列出了经常使用超声波检测的材料的纵波和横波波速。
c)波的传播和粒子的运动超声波检测探伤最常用的是纵波探伤和横波探伤。
同时朝声检测中也存在其他类型的波。
包括表面波和兰姆波。
(1)纵波是指传播方向和介质粒子振动方向相同的波。
(2)横波是指传播方向和介质粒子振动方向垂直的波。
(3)表面波瑞)(一个椭圆质点运动和穿越表面形成一层材料他们的速度大约90%的剪切波速的资料他们的穿透深度,大约等于一个波长。
(4)板波发生在一个复杂的振动在材料的厚度小于波长超声引入。
图(3)展示了一个质点运动与方向的纵向波和波传播的横波传播速度快。
a.超声波的应用介绍了超声无损检测高频声波进入测试对象来获取信息的对象不改变或损坏以任何方式两个基本量测的超声波检测;他们的飞行时间或时间对于声音穿越样品和振幅对接收信号一种基于速度往返传播时间通过物质材料厚度计算方式如下:方程.4 2/s ct TT =材料的厚度,c =材料声速传播时间。
医学超声原理 第八讲 超声换能器
用来接收声波的换能器称为接收器。当换 能器处于接收状态时，将声能变成机械能，再转 换成电能。
有些情况下，换能器既可以用作发射器，又 可以用作接收器，即所谓的收发两用型换能器。
一、超声换能器介绍
工作原理：
通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动 系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送 来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁 场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能 器的机械振动系统产生一个推动力，推动与换能器机械 振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。
电子聚焦示意图
三、医学超声换能器结构
现以前者为例加以说明。 如图3.10所示，激励脉冲经延迟 线后激发压电材料，两边延迟时间值最小并对称、然后由两边 到中央逐渐对称地变大，中央延迟线的延迟时间值最大。因此 仿于两边的压电品片最早振动，然后依次振动，位于中央最迟 振动。这样形成的圆形波阵面，其圆心就是焦点。
二、医学超声换能器种类
单元换能器
1.按振子单元数分
多元换能器
线 阵 相控阵 方 阵
凸 阵
2.按声束特性分
聚焦换能器
一维聚焦 二维聚焦
电子聚焦 声学聚焦 电子聚焦 声学聚焦
非聚焦换能器
二、医学超声换能器种类
发射型换能器 3.按收发方式分 接收型换能器
收发兼用型换能器
圆形换能器
环形换能器
Lf=1.8λ(f/a)2 ； 其中，λ为声波波长，a为聚焦系统孔径的一半 ，f为系统焦距。
三、医学超声换能器结构
c)声反射镜 如图3-31,3-32所示的平行声束经楔形 声反射镜反射到抛物面声透镜，然后经抛物面聚焦 在它的焦点。
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。
超声波换能器
超声波无损检测技术工艺 第二章 超声换能器§2.2 压电换能器§2.2.4超声检测用压电换能器的种类,结构,设计与制作工艺的考虑因素一.超声检测技术中常用压电换能器的种类在超声检测技术中应用的压电换能器是多种多样的,但最广泛应用的是厚度振动型的压电换能器(俗称探头),它受激励而产生的超声波是纵波,然后可以利用超声波的折射特性,通过适当的方法实现波型转换,把纵波转换成其他所需要的波型用于检测.此外,根据激发超声波的工作频谱,可以把探头分为宽频带(窄脉冲)探头(可窄至一周半)和窄频带脉冲探头,前者主要用于要求具有较高分辨力的超声检测,而后者则主要用于如穿透法,谐振法,声振法等的超声检测.在实际应用中,最常见的是根据探头的用途和结构特点来分类,大致上有:1.普通直探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能而制成的探头,其晶片多为圆形薄片,还可分为液浸法检测用的和直接接触法用的探头2.普通斜探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能,其晶片多为圆形,方形和矩形薄片.其上配有斜楔以改变晶片受激产生的纵波在界面上的入射角,利用超声波的折射特性产生波型转换,从而在检测介质中激发出所需要的波型.它主要用于直接接触法检测,根据所激发波型的不同,可以分为:(1)横波探头:用于对工件内部及表面缺陷的横波检测,例如检测焊缝(2)瑞利波（表面波）探头:用于对具有光洁表面的工件的表面缺陷检测,例如检测叶片表面裂纹(3)板波(兰姆波)探头:用于薄板检测(4)爬波探头:用于粗糙表面工件的近表面缺陷检测(5)可变角探头:可调整纵波入射角以探索适当波型超声波的激发条件以及调整超声波在被检介质中的折射角度此外还有如纵波斜探头及各种适应不同工件需要的专用探头.3.组合双晶探头:由两块晶片分别发射和接收超声波,晶片形状有两块半圆形(分割式),两块方形或两块矩形等.探头上配有延迟块,用以小范围改变纵波入射角以调节超声波进入工件的状态,而且起到延迟阻塞时间,抑制近场干扰等作用,从而显著提高检测的近表面分辨力.两块晶片之间还配置了隔声层以阻隔入射界面上产生的直通波和屏蔽感应电场的干扰(即起到电声屏蔽的作用).按照产生的波型和结构形式,可以分为:(1)组合双晶直探头:包括液浸法检测与直接接触法检测应用的探头,尤其以后者为常用.全部元件组合在一个整体之内,在工件中激励的是纵波-在被检介质中是以折射纵波进行检测的。
超声波发声器和换能器简介
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超声波发生器原理图如下：
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工作过程如下：先由信号发生器来产生一 个特定频率的脉冲信号，这个特定频率就是换 能器的自身的机械谐振频率，一般在超声波设 备中使用到的超声波频率为25kHz至100kHz， 这个频率信号必须经过功率放大器进行功率放 大，然后通过阻抗匹配电路，有助于换能器将 电信号高效率地转化为机械震动。而反馈电路 的存在不仅保证了换能器始终工作在一个合适 的频率范围内，让发生器工作在最佳状态，也 保障了电路的安全。
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超声波换能器
• 超声波换能器是实现声能和电能转换的器 件，声能和电能可以互相转换。
• 超声换能器按材料分可化为两大类，一是 磁致伸缩换能器，二是压电换能器。
• 超声波换能器主电路包括：整流滤波电路、 直流斩波调(稳)压电路、半桥逆变电路、匹 配电路、超声波换能器。控制电路由调压 控制电路、逆变器控制与保护电路组成。
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发生器与换能器的匹配
超声波发生器与换能器匹配包括两个方面：
• 一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功 率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输 出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负 载，也即阻抗变换作用。
• 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于 换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出 电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不 到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因 此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使 发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
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完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要 提供二个方面的反馈信号：
• 第一个是提供输出功率信号 。供电电压发 生变化时。发生器的输出功率也会发生变 化，这时反映在换能器上就是机械振动忽 大忽小。
2024年超声波换能器市场发展现状
2024年超声波换能器市场发展现状引言超声波换能器是一种重要的电子元器件，在多个领域中得到了广泛的应用。
它具有高效能、可靠性高、结构简单等优点，在医疗、工业、测量等领域发挥着重要作用。
本文将对超声波换能器市场的现状进行分析与概述。
市场概述超声波换能器市场在过去几年中快速发展。
随着科技进步和应用领域的拓展，超声波换能器的需求量越来越大。
根据市场调研数据显示，超声波换能器的年均增长率为XX%，市场规模已经达到XX亿美元。
预计在未来几年内，市场规模将继续保持较快的增长速度。
应用领域医疗领域超声波换能器在医疗领域中得到广泛应用。
它可以用于影像诊断、超声聚焦治疗、体外激光碎石术等方面。
随着人们对健康的重视以及医疗技术的不断发展，超声波换能器在医疗领域的需求将持续增长。
工业领域超声波换能器在工业领域中的应用也十分广泛。
它可以用于清洗、焊接、测厚等方面。
随着工业化程度的提高以及工业生产需求的增长，超声波换能器在工业领域的市场前景十分广阔。
测量领域超声波换能器在测量领域中起到了重要的作用。
它可以用于液位测量、距离测量等方面。
随着物流、工程等行业的发展，超声波换能器的需求也将逐步增加。
市场竞争态势目前，超声波换能器市场存在较为激烈的竞争态势。
主要的竞争者包括国内外一些知名企业，例如ABC公司、XYZ公司等。
这些企业在超声波换能器领域具有较强的研发能力和市场份额。
除了传统企业外，一些初创公司也正在崛起，它们通过技术创新和市场适应能力不断增强自己的竞争优势。
发展趋势在未来几年内，超声波换能器市场有望出现以下几个发展趋势：1.技术创新：随着科技的不断进步，超声波换能器的技术将不断改进和创新，以满足市场的不断需求。
2.应用领域拓展：超声波换能器将进一步拓展应用领域，尤其是在智能制造、物联网等领域。
3.产品性能提升：超声波换能器的性能将不断提升，包括灵敏度、精度、可靠性等方面。
4.市场竞争加剧：由于超声波换能器市场前景广阔，竞争将更加激烈，企业需要提高技术研发能力和市场拓展能力以获得竞争优势。
超声接收换能器
超声换能器换能器接收器外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出产生一个相应于声信号的电压和电流对于接受型换能器要求换能器有大的输出功率和高的灵敏度。
接收换能器主要性能指标：1 工作频率：对被动式接收换能器而言它的工作频率是一个较宽的频带，同时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高，以保证换能器有平坦的接收响应。
2 机电转换系数n和机电耦合系数k:3 阻抗特性换能器作为一机电四端网络，它具有一定的特性阻抗和传输常数。
由于换能器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配，所以在换能器设计时计算出换能器的等效输入阻抗是十分重要的。
4 品质因素Q常用电路系统的品质因素Q e和机械系统的品质因素Q m来共同描写换能器的品质因素。
换能器的Q值与其工作频带宽度和传输能量的效率有密切的关系，Q值的大小不仅与换能器的材料、结构、机械损耗的大小有关，还与辐射声阻抗有关。
所以同一个换能器处于不同介质的Q值是不相同的。
5 方向特性0对于一个接收换能器，它的方向特性曲线的尖锐程度决定了其探索空间方向角的范围。
所以超声换能器的方向特性的好坏直接关系到超声设备的作用距离。
6 频率特性换能器的频率特性是指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性。
例如一接收换能器的接收灵敏度随工作频率变化的特性。
7 灵敏度（接收声场的响应）这是对接收换能器最重要的一个指标，又有电压灵敏度、电流灵敏度之分。
所谓接收换能器的自由场电压灵敏度，就是指接收换能器的输出电压与在声场中引入换能器之前该点的自由声场声压的比值式中，U（ω）表示接收换能器电负载上所产生的电压（V）；P f(ω)表示接收换能器接受面处自由声场的声压（μPa），有时也用dB表示其基准灵敏度取为M。
N u（ω）称为自由场电压灵敏度。
所谓接收换能器的自由场电流灵敏度M i（ω）（自由场电流响应），是指接收换能器的输出电流与在声场中引入接收器之前的自由声场声压的比值，记为式中，i（ω）单位是A，P f单位是μPa。
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综 述超声换能器特性回望李 衍(江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡 214187)摘 要:回望并介绍了超声换能器影响检测灵敏度和分辨力的若干重要物理特性,有助于换能器的更新换代和缺陷定量定性技术的完善与提高,也有助于T OFD 、相控阵、SH 横波和导波等UT 新技术的推广应用。
关键词:超声换能器;物理特性;超声检测中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2006)02-01-051 压电换能器换能器是将一种形式的能量转换成另一种能量的器具。
超声换能器能将电能转变成机械能(声能),也能将机械能(声能)转变成电能。
现代探伤有几种方法可产生和检出超声脉冲,最常用的是利用某些材料的压电效应。
其它还有电磁声换能器(EM AT )和激光技术。
1880年居里兄弟发现:从某些晶体材料按特定方向切割下来的薄片,当受机械力作用产生变形时,会在薄片两面产生电压,他们称此现象为“压电”。
翌年,李普曼又发现了相反的现象:加在薄片两面的电压也会使薄片产生机械变形(即逆压电效应)。
石英(SiO 2)是压电材料的典型,四水酒石酸钾钠(罗谢尔盐)和电石晶体也显示相同效应。
在超声探伤最初30年间,从1929年直到19世纪50年代末,石英一直是最常用的换能器材料。
所需薄片是从石英单晶体上切割下来的。
随后,又开发了新的多晶材料。
这种材料电阻抗较低(耐高频),超声特性较优,效率比石英高60%～70%。
做换能器前,多晶材料须经极化处理。
极化时,各晶体按同向排列整齐,以使其综合效应相干;极化方法:将多晶薄片置于油浴槽中加热到接近临界温度即居里温度,并在薄片两侧施加强静电场,然后使之降温缓冷(图1)。
超声探伤常用的压电材料,其居里温度各不相同,故油浴槽温度需根据所使用的压电材料加热到适当温度。
如:钛酸钡(BaT iO 3)的居里温度约为120℃,图1 压电晶片的极化而不同牌号的锆钛酸铅(PbZrT iO 3,缩写PZT ),居里温度为190℃～350℃,偏铌酸盐(PM N)约为400℃。
若使压电材料随后加热到居里温度,它就会“退极”,丧失压电特性。
因此,检测高温试件时,须防止换能器“退极”。
必要时,应另选换能器材料。
2 几个重要物理特性2.1 振动模式换能器薄片,不管是由自然界存在的压电单晶体制成,还是由极化的多晶体材料制成,当言及探头结构时,通常都称其为“晶片”。
晶片可为圆形或矩形;对某些应用,还可作成瓦形或凹面,以使声束聚焦。
晶片受到电脉冲激励时产生的振动模式,对石英单晶来说,取决于其切割方向;对多晶体来说,则取决于其极化方向。
图2即典型的石英单晶体;图2(a )中标有结晶学规定的三个晶轴;图2(b)为从晶体上切下的两晶片,分别为X-切割晶片和Y-切割晶片。
这里,所谓X-切割晶片是指表面与X 轴相垂直的晶片,而Y-切割晶片是指表面与Y 轴相垂直的晶片。
若将交变电压施加于晶片两面,X-切割晶片会在厚度方向产生伸缩变形,而Y-切割晶片会在第30卷第2期2006年4月 无损探伤N D T Vol.30No.2Apr il.2006剪切方向产生伸缩变形,如图3所示。
同理,多晶体材料经极化后也能产生这两种振动模式:极化方向垂直于晶片表面的,相当于X-切割;极化方向平行于晶片表面的,相当于Y-切割。
(a)晶轴三向(b)晶体切片图2 典型的石英单晶体图3 晶片切割或极化方向与振动模式(波型)X-切割晶片在超声波探伤中最常用,它能产生和检出纵波,故能通过液体耦合剂传播声波。
Y-切割晶片可用于在金属试件中产生横波(指质点振动方向与传播方向垂直而与表面相平行的SH 横波),但横波不能存在于液体或气体中,故只能通过固体耦合介质或蜂蜜类高粘度耦合剂,才能在金属中传播。
换言之,使用这种晶片时,几乎要使晶片粘定在适当位置。
这种换能器多用于取代爬波探头,专用于检测T 型接头或管座角焊缝或轴类锻件的表层缺陷。
2.2 脉冲发生方法和频率用晶片产生短的声脉冲时,用相应频率的交流电压是无法“驱动”晶片的,而只能用短而尖的高频电脉冲来激励晶片,让晶片以其自然共振频率振动。
这很像弹拨吉他琴弦,令琴弦以其自然频率振动。
当为压电晶片时,晶片在施加电压时伸展,只在电压快速切断时才产生声波。
为增大超声波幅(响度),就要提高加到晶片上的峰值电压(脉冲能量)。
超声换能器的频率取决于晶片厚度:晶片越薄,则共振频率越高。
石英单晶体按一定方向切片后,要按所需频率研磨成适当厚度。
多晶材料是先做成软膏,压制成型,再切片,再研磨成所需厚度,然后进行极化处理。
对给定频率所需厚度,可根据所用晶片材料的频率-厚度常数算出。
因该常数相关于晶片材料中的纵波声速,故PZT 与石英晶片在给定频率下所需厚度也不同。
频率-厚度常数可用下式表达:f t =V /2(1)式中 f —所需频率t —晶片厚度V —晶片材料中的纵波声速2.3 脉冲长度的控制超声波探伤中,可测出回波从缺陷或试件底面返回试件表面、到达接收器的时间。
只要已知材料声速,由此时间即可求出超声波传播距离。
如图4所示,假定试件中有一裂纹生于一螺栓孔边缘。
用纵波探头探测时,有些声波会在螺栓孔顶部反射,还有些声波则稍迟后些,在裂纹处产生反射。
两回波到达接收器的时间间隔颇小,为(T 2-T 1)。
若晶片持续振动时间(即脉冲长度)T PD 长于此时间间隔,就难以将裂纹与螺栓孔顶部区别开来,以致裂纹漏检。
这是由于不能分辨两处反射回波,或者说分辨力低的缘故。
要提高分辨力,就要确保换能器脉冲长度尽量短些。
(a)探测螺栓孔裂纹(b )脉冲长短与分辨力图4 超声脉冲长度对分辨力的影响超声波探伤中,一般是通过在压电晶片背面加置阻尼块或吸收块来缩短脉冲持续时间的。
阻尼块通常由环氧树脂加钨粉制成。
加在晶片背面的阻尼量就决定了探头的分辨力。
短脉冲探头只有1～2个周数,而长脉冲探头可能有3～5个周数。
未阻尼的晶片,脉冲中可能有12个以上周数。
对一个脉冲给定的周数来说,该脉冲的持续时间或占有时域,将取决于波长,而波长又取决于探头频率和被检材料声速。
因此:脉冲长度=脉冲周数×波长2 无 损 探 伤 第30卷显然,提高探测频率也是提高分辨力的方法之一。
但声波穿透力(传播距离)又随频率提高而减小,故频率并非总能提高。
要选择适当频率,往往要在穿透力、分辨力和探伤灵敏度三者之间,作折中考虑。
有时,超声波探伤还不能在关键深度检出特定缺陷。
尽管分辨力在许多工程检测中是重要因素,但有时也宁可选用较长脉冲。
例如,检测机车车轴类长轴时,探伤仪示波屏可能只有75mm 宽,而时基线可能要表示整个轴长(如2.5m 长)。
一个2周数的短脉冲,只占据示波屏一小部分,很难进行观测,故遇此情境,宜使用适于观测的较长脉冲。
2.4 带宽和Q 因子从换能器发出的超声波不是单一频率的声波。
实际上,是一个包含多种频率的频带,此频带相关于晶片厚度、晶片面积及阻尼效应。
另外,换能器电特性及相关电路,也会影响总频谱。
此频谱通称为探头频带宽度——简称“带宽”。
对设计良好的探头,其带宽中心应为所需探头频率,而低端和高端通常则定义为波幅降低若干百分比(或dB )时的频率。
这方面有取值为30%(-3dB)的,也有取值为50%(-6dB)的。
ISO 10375:1997《超声探头及其声场的表征》规定用50%(-6dB )取值。
图5(a)表示中心频率为5MHz 的探头,其-6dB 带宽为2.5～7.5MHz;图5(b)表示另一5M Hz 的探头,其-6dB 带宽仅为3.75～6.25M Hz 。
前者称为宽带,后者称为窄带。
实际上,短脉冲探头是宽带,而长脉冲探头是窄带。
对给定的晶片尺寸、材质和频率来说,阻尼不仅减小脉冲长度,也减小脉冲幅度,故窄带探头脉冲较长,而脉冲幅度较大,因而声波穿透力也较强。
(a )宽带(b )窄带图5 换能器带宽与Q 因子带宽也可用探头“品质因子Q ”表示,其公式如下:Q =f c /(f U —f L )(2)式中 f c —中心频率f U —-6dB 高端频率f L —-6dB 低端频率未阻尼晶片Q 因子可高达20000。
超声波探伤用换能器Q 因子通常为1～10。
相关标准对超声换能器脉冲回波带宽的规定比较见表1和图6(a)。
表1 不同标准对超声换能器脉冲回波带宽的规定比较国家标 准 号标 准 篇 名带 宽 定 义带宽界限德国D IN 2545:1990超声手工检测系统窄带:(f U -f L )/f c ≤0.3-3dB 美国A ST M E 1065:1992超声探头特性评价标准指南宽带:(f U -f L )/f c ≥0.5-6dB 国际ISO 10375:1997超声探头及其声场表征同AST M E 1065:1992-6dB 日本JIS Z 2350:2002超声探头特性测定方法同AST M E 1065:1992-6dB(a)脉冲带宽的划分(标准比较)(b )B w =31%(c )B w =47%(d )B w =83%图6 不同带宽的频谱与AC 回波信号示例3第2期 李 衍:超声换能器特性回望 ISO 和日本标准中均以B w 代表带宽,用相对值%表示:B w =[(f U -f L )/f c ] 100%(3)为供参考,图6(b)、图6(c)、图6(d)给出了带宽B w 取值分别为30%、50%和80%时的频谱与AC 回波信号的示例。
6(b )、6(c )、6(d )三分图中,AC 回波信号峰值数各为9,5,4,周数各为4.5,2.5,2。
按标对号入座:图6(d )2周,属高分辨力,宽带;图6(b )4.5周,非高分辨力,窄带;图6(c)分辨力、带宽居中。
3 新型换能器3.1 压电-合成换能器压电换能器的最新开发:探头中的主板,是由压电晶片切成许多小方块后,再用环氧树脂或合成橡胶组成的矩阵制成的(图7)。
这种结构的主要优点是:第一,声阻抗较低,能改善声匹配。
这对探测铸件和不锈钢特别有利。
第二,分辨力适中,毋需附加阻尼就可提供短脉冲,这样可使探头长度减小。
图7 压电-合成换能器3.2 压电高分子换能器某些高分子材料经强电场极化处理后,就会产生压电特性。
高分子压电材料有柔性,耐变形,声阻抗小,可制成压电薄膜,易于加工成多种形状,具有一般无机压电材料所欠缺的许多特长。
目前在医疗超声诊断和工业超声检测上作为新型换能器得到推广应用。
压电高分子有好几种,最常用的是聚偏氟乙烯PVDF [偏氟乙烯(CF 2-CH 2)的聚合物]和P (VDF /Tr FE )[氟化乙烯叉与三氟乙烯(CHF -CF 2)的共聚物]。
其电声特性与常用压电体PZT 的特性比较,见表2。
PVDF 通过高压结晶和固相挤压延伸法等制作工艺,可得k t =0.27的压电薄膜。