压电超声波换能器原理

超声波换能器

一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。

超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。

换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。

压电陶瓷超声换能器工作原理

压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。

超声波换能器是将电能转换成机械能（超声波）的器件，其中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。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。

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将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器，换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。

现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。

换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。

我们主要生产大功率超声波换能器，应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。

磁致伸缩

磁致伸缩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，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，所以很少使用。

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。

1.石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01um以下的变形。

2.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。

3.锆钛酸铅具有二者的优点，可用作超声波清洗，探伤和小功率超声波加工的换能器。

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。

按实现的作用分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测以及超声波雾化等。

编辑本段外形分类

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;

按振动模式分为伸缩振动, 弯曲振动, 扭转振动等;

按伸缩振动的方向分为厚度, 切向, 纵向, 径向等;

按压电转换方式分为发射型 ( 电-声转换) , 接收型 ( 声-电转换) , 发射/接收复合型等.

按工作环境分为液体, 固体, 气体, 生物体等。