压电超声换能器原理及研究进展 ppt
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。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理(总6页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，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，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
超声波换能器的结构及原理
超声波换能器的结构及原理超声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。
超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。
通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。
换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。
超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。
人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。
其结构原理如图3所示：图3超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。
压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。
相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图 4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。
如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。
超声波压电效应
超声波压电效应：原理与应用一、引言超声波压电效应是物理学中的一个重要现象，它揭示了超声波与物质之间相互作用的一种特殊方式。
这种效应源于某些材料在超声波作用下的机械振动会产生电场，从而实现电能与机械能的相互转换。
这一现象在许多领域都有广泛的应用，如医学诊断、环境监测、无损检测以及振动控制等。
本文将详细介绍超声波压电效应的原理、应用以及研究进展。
二、超声波压电效应的原理超声波压电效应，也称为压电性，是指某些晶体或复合材料在受到机械应力作用时，其内部会产生电场，从而产生电能的现象。
这一现象是由法国物理学家Curie兄弟于1880年首次发现的。
当超声波作用于压电材料时，材料的晶体结构会产生机械振动，这种振动会导致材料内部正负电荷的相对位移，从而产生电场。
反过来，这个电场又能产生振动波，这就是超声波的传播。
压电材料的主要类型包括单晶压电材料、多晶压电材料和复合压电材料。
其中，单晶压电材料具有较高的压电系数，但多晶压电材料和复合压电材料在工程应用中更为广泛。
三、超声波压电效应的应用1．医学诊断：利用超声波压电效应可以制造出超声换能器，用于医学诊断。
例如，超声成像技术利用高频超声波穿透人体组织，根据组织密度和性质的差异，接收反射或散射的超声波，从而形成图像。
这有助于医生对疾病进行准确的诊断。
2．环境监测：超声波压电效应还可以用于环境监测，如气体和液体中的污染物检测。
通过在压电材料上施加交变电场，可以激发出超声波，这些超声波遇到障碍物会反射回来，通过分析反射回来的超声波，可以确定障碍物的位置和性质。
3．无损检测：超声波压电效应在无损检测领域也有广泛应用。
例如，在桥梁、建筑等结构的安全检测中，可以通过在结构表面施加交变电场激发出超声波，再接收反射回来的超声波，从而判断结构内部是否存在缺陷。
4．振动控制：利用超声波压电效应可以实现对物体振动的精确控制。
例如，在航空航天领域，通过在飞机或火箭的结构上施加交变电场，可以激发出超声波并控制其传播方向和振幅，从而实现结构的精确振动控制。
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。
[课件]医用超声换能器PPT
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第一节
一、压电效应
1. 正向压电效应
压电换能器
++++++
------
材料两端加压力→两电极产生电场 压力 →形变→晶格电偶极矩变化→电荷积累→电场 2. 逆向压电效应
++++++
-----材料两端加电压→材料产生形变 电压→电场→晶格电偶极受力→应力→形变 材料正、逆向压电效应可逆
L=λ/2
时，压电体内传播时间
t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2
即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同 频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率
f = c/λ= c/2L
称基本谐振频率，或基频。
前向
超声
表面位移
０ T/2 T
L
压电体
c, f
超声
（3）组成
环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉
空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。
3．匹配层
（1）作用 ① 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组 织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：
Z Z Z , l ( 2 n 1 ) ／ 4 匹 匹 匹 晶 皮
② 增加换能器的带宽 ③ 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。
t
后向
T/2 T 3T/2 t ０ 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个 表面到达对面所用时间为： t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 (n=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。 f1—基频， f 3，f5，f7…—高次谐振频率， f1L＝c／2——材料的频率常数
超声波清洗机的换能器原理
超声波清洗机的换能器原理超声波清洗机是一种利用超声波技术进行清洗的设备，其核心部件是换能器。
换能器是将电能转化为机械振动能的装置，它在超声波清洗机中起到了至关重要的作用。
换能器的原理是基于压电效应。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力作用时，会产生电荷分离，从而形成电压。
根据这个原理，换能器利用压电材料的特性，将电能转化为机械振动能。
换能器一般由压电陶瓷材料和金属材料组成。
压电陶瓷材料具有良好的压电效应，而金属材料则用于支撑和导电。
在换能器中，压电陶瓷材料被夹在两个金属片之间，形成一个夹层结构。
当外加交流电源施加在夹层结构上时，电场的变化会导致压电陶瓷材料的体积发生微小的变化。
由于夹层结构的限制，这种微小的变化只能以机械振动的形式传递出来。
换能器的振动频率与外加交流电源的频率相同，一般为20kHz至100kHz。
在超声波清洗机中，换能器的振动能够产生超声波。
当交流电源施加在换能器上时，压电陶瓷材料的振动会传导到清洗液中，产生一系列的压力波。
这些压力波会在清洗液中形成高频振动，产生微小的气泡。
这些微小气泡在清洗液中迅速生长和破裂，产生大量的冲击波和涡流。
这些冲击波和涡流能够将污垢和污染物从清洗物体的表面剥离，并将其悬浮在清洗液中。
同时，超声波的震荡作用还可以通过物理和化学效应去除污垢和杀灭微生物。
超声波清洗机的换能器原理使其具有很多优点。
首先，超声波清洗机可以在不使用化学溶剂的情况下实现高效的清洗效果。
其次，超声波可以穿透到微小孔隙和角落，清洗效果更加全面。
此外，超声波清洗机可以在不损坏清洗物体的情况下去除顽固的污垢和油脂。
然而，超声波清洗机的换能器原理也存在一些限制。
首先，超声波的传播距离有限，因此清洗物体的尺寸和形状需要适应清洗机的规格。
其次，超声波的能量密度较高，对某些材料可能会产生损伤。
此外，超声波的清洗效果也受到清洗液的影响，不同的清洗液对不同的污染物有不同的清洗效果。
超声波清洗机的换能器原理是利用压电效应将电能转化为机械振动能，从而产生超声波进行清洗。
超声波换能器工作原理
2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，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，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。
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换为超声波能的装置，它在医疗、清洗、焊接等领域都有着广泛的应用。
其工作原理主要涉及到压电效应和超声波传播两个方面。
首先，压电效应是超声波换能器能够将电能转换为超声波能的基础。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会发生电荷分布不均，从而产生电压的现象。
这种晶体被称为压电晶体，它们在外加电压的作用下会产生形变，并且在形变的同时会发出超声波。
这种现象被称为压电效应，利用这种效应可以将电能转换为超声波能。
其次，超声波传播是超声波换能器工作的另一个重要原理。
一旦压电晶体产生超声波，这些超声波会通过传导介质（如水、空气等）传播出去。
超声波是一种机械波，它的传播是通过介质分子之间的振动传递能量。
当超声波传播到需要作用的对象上时，它会产生一系列的物理效应，比如在清洗领域可以产生高效的清洗效果，在医疗领域可以产生热效应用于治疗等。
总的来说，超声波换能器的工作原理是通过压电效应将电能转换为超声波能，然后通过超声波传播将超声波能传递到需要作用的对象上。
这种原理使得超声波换能器在多个领域都有着广泛的应用，其工作原理的深入理解也为超声波技术的发展提供了重要的理论基础。
在实际应用中，超声波换能器的工作原理还涉及到频率、功率、声压等参数的控制，以及超声波在传播过程中的衰减、反射、折射等现象。
对于超声波换能器的设计、优化和应用都需要对其工作原理有着深入的理解和研究。
总之，超声波换能器是一种将电能转换为超声波能的装置，其工作原理涉及到压电效应和超声波传播两个方面。
通过对其工作原理的深入理解，可以更好地应用超声波技术，并且为其在医疗、清洗、焊接等领域的进一步发展提供理论支持。
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。
超声波 换能器 原理
超声波换能器原理超声波换能器是将电能转化为超声能量的一种装置。
它广泛应用于医疗、工业、农业、冶金等领域，具有高频率、高效能、无污染、易实现自动化控制等特点。
本文将详细介绍超声波换能器的原理、工作方式以及应用领域。
超声波换能器一般由压电陶瓷、金属盖板、保护罩和导线等组成。
其中压电陶瓷是核心部件，它是通过压电效应实现将电能转化为机械振动能的材料。
压电陶瓷材料在施加电场时会发生形变，这种形变即为压电效应。
根据压电效应的不同方向，压电陶瓷又可分为纵向和横向两种。
在超声波换能器中，通常采用的是横向压电陶瓷。
超声波换能器的工作原理是利用压电陶瓷的压电效应将输入的电能转化为机械振动能，进而产生超声波。
当外加交流电源施加在压电陶瓷上时，电场的变化会导致压电陶瓷的尺寸发生微小变化。
这种变化会导致陶瓷产生机械振动，即超声波。
超声波的频率通常在20kHz以上，人耳无法听到。
这种高频超声波的特点使得它在工业和医疗领域有广泛应用。
超声波换能器的工作方式可以分为共振和非共振两种。
共振工作方式是将输入的电信号频率与超声波换能器的共振频率匹配，以达到最大振幅的效果。
通常，在共振频率处，换能器的振动幅度最大，能量转化效率最高。
而非共振工作方式则是将电信号频率设定在超声波换能器的非共振范围内，使得振动幅度较小，但换能器仍能转化电能为超声能量。
超声波换能器的应用领域十分广泛。
在医疗领域，超声波换能器主要应用于超声检测与成像。
它可以将电信号转化为超声波信号，通过体内组织的反射和散射，产生显像。
这种成像技术可以帮助医生了解患者的内部情况，对于诊断病变和指导手术具有重要意义。
在工业领域，超声波换能器被广泛应用于清洗、焊接、切割和探伤等领域。
超声波的高频振动能够有效清洗表面污垢；同时，超声波的局部热效应可以实现焊接和切割的高精度和高效率；此外，超声波还可以用于金属材料的探伤，检测材料内部的缺陷。
此外，超声波换能器还被应用于农业领域。
例如，超声波换能器可以用于植物的喷雾和施肥。
超声波换能器原理
超声波换能器原理什么是超声波换能器超声波换能器是一种能够将电能转换为超声波能量的设备。
它由压电陶瓷材料制成，通过压电效应将电能转化为机械振动，并进一步将机械振动转化为超声波能量。
超声波换能器通常由振动片和负载组成，振动片在电场作用下发生机械振动，进而产生超声波。
超声波产生的原理超声波的产生基于压电效应和共振效应。
在超声波换能器中，压电陶瓷材料是关键组件之一。
当施加电场到压电陶瓷上时，它会发生压电效应，导致陶瓷材料发生机械振动。
这种机械振动会在换能器中传播并产生超声波。
换能器中的压电陶瓷材料通常是由铅酸锆（PZT）陶瓷制成的。
当施加电场到PZT陶瓷上时，陶瓷中的极化方向会发生变化，从而引起陶瓷的压缩和膨胀。
这种压缩和膨胀的变化会导致陶瓷材料振动，产生机械波。
超声波换能器的结构超声波换能器通常由振动片和负载组成。
振动片是压电陶瓷材料制成的，并具有特定的形状和尺寸。
振动片的一端固定在换能器的壳体上，另一端可以自由振动。
当施加电场到振动片上时，振动片会发生弯曲和扭转，并产生超声波能量。
负载是振动片传递超声波能量的媒介。
它通常是与换能器相邻的介质，如液体或气体。
当超声波通过负载传播时，振动片的机械振动会在负载中引起压力变化，从而产生超声波波动。
超声波换能器的工作原理超声波换能器工作的关键原理是压电效应和共振效应。
当施加电场到压电陶瓷上时，压电陶瓷发生机械振动，并产生超声波能量。
这种超声波能量通过负载传播，并在负载中引起压力变化。
负载的表面传感器可以检测到这些压力变化，并将其转化为电信号，实现超声波的接收和检测。
超声波换能器的工作频率与振动片的尺寸、形状和振动模态有关。
通过调整这些参数，可以实现不同频率范围内的超声波产生和检测。
超声波换能器的应用超声波换能器在诸多领域中得到广泛应用。
以下是一些常见的应用领域：1.医学应用：超声波换能器被广泛用于医学成像、超声治疗和药物输送等领域。
它可以通过超声波成像技术实现对人体内部器官和组织的无创检测和诊断。
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。
它主要由压电陶瓷材料和金属材料组成。
在超声波换能器中，压电陶瓷材料起到了关键作用，它具有压电效应，即在外加电场的作用下，会产生机械应变。
这种机械应变可以通过超声波换能器的结构转化为超声波能量。
超声波换能器的工作原理可以分为两个步骤：激励和换能。
首先是激励阶段。
当外加电压施加在超声波换能器的压电陶瓷材料上时，会在其内部产生电场。
由于压电效应，压电陶瓷材料会发生应变，即产生机械振动。
这个机械振动会传递到超声波换能器的振动系统中，使得振动系统开始振动。
接下来是换能阶段。
振动系统的振动会引起超声波换能器的金属材料产生应变。
这种应变可以通过超声波换能器的结构转化为超声波能量。
具体来说，当振动系统的振动传递到超声波换能器的金属材料时，金属材料会发生弯曲或伸缩，从而产生超声波。
这个超声波的频率和振幅取决于外加电压的频率和振幅。
超声波换能器的应用非常广泛。
它可以用于医学领域中的超声波成像、超声波治疗等；也可以用于工业领域中的非破坏性检测、液位检测等。
此外，超声波换能器还可以应用于测距、声纳等领域。
虽然超声波换能器具有很多优点，比如频率范围广、能量密度高、无电磁辐射等，但也存在一些局限性。
首先，超声波换能器的输出功率有限，无法满足一些高功率应用的需求。
其次，超声波在传播过程中会受到衰减和散射的影响，限制了其传输距离。
此外，超声波换能器的制造成本较高，需要精密的加工工艺和材料。
超声波换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置。
通过压电效应和振动系统的协同作用，超声波换能器能够将电能转化为超声波能量，并应用于医学、工业等领域。
尽管超声波换能器存在一些局限性，但随着技术的不断发展，相信它将在更多领域展现出更广阔的应用前景。
压电换能器
图五 夹心换能器结构示意图
99
地球物理实验
在两陶瓷片之间夹一电极，陶瓷片上侧的金属块称为配重块，下侧的金属块称为辐射 块，上下用螺丝拧紧。如采用并联结构，则压电陶瓷接触配重块及辐射块两侧均为负极， 接触电极一面均为正极，辐射体用铝轻金属，配重块用45#钢。
图六所示为夹心振子的单轴辐射特性图。曲线A表示应力或应变，在节点处有极大值，
压电换能器的主要性能指标有工作频率和频宽、指向性、阻抗、发射功率和效率、发 射灵敏度及接收灵敏度和振幅特性等。
换能器的工作频率影响着其它性能指标的变化，在使用中我们要根据不同的需要来选 择换能器的频率。对于发射换能器，一般工作在其谐振基频左右，以获得较满意的波形和 效率；而对接收换能器则要求有较宽的频带和较低的噪声；指向性是换能器的重要指标， 它直接影响实验的作用距离及定向精度；发射换能器相当于一输入阻抗，可由阻抗电桥测 得，接收换能器等效于输出阻抗，其要与发射机的输出回路及接收机的输入电路相匹配 （一般在几欧至几千欧）；功率是发射换能器在单位时间内向介质声场辐射多少能量的物 理量，功率越大，讯号传得越远。
信号 发生器
R mv
1:1
图九 串联谐振电路
并保持不变。用标准电阻箱代替换能器，改变其阻值，使毫伏表指针达到同样极小值，此 时电阻箱的阻值即近似等于换能器的阻抗。
3. 固有频率：常用方法为电桥法，其原理如图十所示。信号发生器的交变信号经变压 器加至电桥 a、c 端，R1，R2为标准电阻，可取R1=R2，R3、C1为标准电阻箱和电容箱， b、d 跨接的毫伏表作为指示用。在某一频率下，调节电阻箱和电容箱，可使毫伏表指针达 极小值，记录下此频率下的1/R及1/C，改变至另一频率，重复上述的过程，得到另一组1/R
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3、压电换能器发展方向及研究进展
压电超声换能器当前发展方向为大功率、 低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集 成化，以及开发新型压电超声材料
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微型化
清华大学物理系声学研究室研发出了世界 上最小的超声马达直径只有1mm。利用 这种微型马达可以用来制备微型血管机 器人、微型飞机等
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新型压电材料
压电聚合物材料 一些聚合物当电流通过 时会像肌肉般收缩。而且，当对它加上 振动或者弯曲它时就会产生电流。美国 已采用其制备出人工肌肉，同时还可用 来制备人造神经。
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压电超声换能器
小组成员：黄瑞湖、李炜、徐华易
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1
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
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2
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
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超声水压水雷
超声切割
超声探测
1、压电超声换能器原理
压电陶瓷变压器原理图
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压电陶瓷变压器优点
与电磁变压器相比， 这具有体积小，质量 轻，功率密度高，效 率高，耐击穿，耐高 温，不怕 燃烧，无 电磁干扰和电磁噪声， 且结构简单、便于制 作、易批量生产。
使用压电变压器液晶显示器
用压电陶瓷变压器 制作液晶显示(CCFL) 背光高压电源不仅 克服了传统电磁变 压器工作在高压状 态下所存在的问题， 而且能很好地适应 电子设备小型化、 轻型化、片式化的 发展需要
佳能超声换能马达相机
压电陶瓷变压器
压电变压器是利用极化 后压电体的压电效应来 实现电压输出的。其输 入部分用正弦电压信号 驱动，通过逆压电效应 使其产生振动，振动波 通过输入和输出部分的 机械耦合到输出部分， 输出部分再通过正压电 效应产生电荷，实现压 电体的电能一机械能一 电能的两次变换，在压 电变压器的谐振频率下 获得最高输出电压。
正压电效应：Leabharlann 体受到某固定方向外力的作用时, 在某两个表 面上产生符号相反的电荷的现象
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
1、石英晶体
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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。
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超声马达
超声马达是把定 子作为换能器， 利用压电晶体的 逆压电效应让马 达定子处于超声 频率振动，然后 靠定子和转子间 的摩擦力来传递 能量带动转子转 动
单晶
2、铌酸锂 3、罗谢尔盐
压电换能 器材料
4、磷酸二氢钾
1、钛酸钡陶瓷
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
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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
超声马达优点
超声马达体积小， 力矩大，分辨率 高，结构简单， 直接驱动，无制 动机构，无轴承 机构，这些优点 有益于装置的小 型化。
直流电动机原理图
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 。