超声波换能器原理

图1.4 电磁-声换能器在导电金属中激发超声波的基本作用原理示意图 在图1.4中，Bz为方向平行与板面的磁感应强度，Br为方向垂直与板面的磁感应强度；g为涡流的电流密度，它与输入电流方向相反。根据右手定则可确定洛伦 兹力F的方向在（a）中垂直于Bz与g的平面（垂直于板面）--激发纵波，在（b）中垂直于Br与g的平面（平行于板面）--激发横波。 根据电磁感应原理，在感应磁场B中作用于以速度V移动的电荷e上的力F（即洛伦兹力）有：F～eVB。当把通有交变电流i的线圈置于导电体上时，导电体中的 微小体积元dV中感应出以e和V确定的电流密度为g的涡电流。因此：F～gB，矢量g、B和F相互垂直且g与i反向（注意，由于交变电流存在趋肤效应，故dV应是 靠近导电体的表面）。 在接收超声波（如反射回波）时，响应于声压作用力使体积元dV在恒磁场B中振动，因此受力F’～eV’B，V’为振动速度。此力使带电质点运动产生电流密度 为g的交变电流即涡流。该涡流使配置在导电体上的检测线圈中感应产生感应电势（感应的交变电流）作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频 率，其大小则随磁场的增大而增加。
图1.2 电磁式换能器基本结构示意图 在发射声波的状态下，通以交变电流的励磁线圈将产生交变磁场，由于衔铁上的磁通量发生变化，从而对衔铁产生交变的电磁作用力，即带动振动膜片发生振 动并推动相邻的传声介质而发射声波。 在接收声波时，与衔铁相连的振动膜片受声波（声压）作用而发生振动，导致衔铁与磁铁间的间隙大小发生交变变化，这将影响到磁路中的磁阻发生交变变 化，于是磁通量发生交变变化，这将使检测线圈两端产生交变的感应电势即可作为输出信号。 常见的电磁式换能器有励磁式扬声器、耳机、拾音器和话筒等，如音响装置中的高音扬声器。 5.电磁-声换能器（又称涡流-声换能器）：利用电动力学法在导电金属中产生超声波的装置，其基本结构如图1.3所示。
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图1.3 电磁-声换能器基本结构示意图 将通有交变电流的激磁线圈至于导电金属之上，线圈产生的交变磁场作用于导电金属并感应出涡电流，该涡流位于另一外加恒磁场（如永久磁铁或直流电磁 铁）中时，带电质点在磁场中流动时受到垂直于磁场方向和质点运动方向的力-洛伦兹力作用而发生位移，从而激发出超声波，视作用力的分力方向（水平分 量与垂直分量）可以同时激发出纵波与横波，其频率与通入交变电流的频率相同。这种方法又称重叠磁场法，其基本作用原理见图1.4：
§1.1 换能器的用途和基本原理 一.换能器的广义概念 用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。例如： 把音频电信号转换成可闻声，或者把可闻声转换成音频电信号，实现电能与声能相互转换的电声换能器，如扬声器（喇叭）、耳机、话筒等； 实现电能与磁能相互转换的电磁换能器，如通以电流而可以产生磁场力的电磁铁，又如录音磁头可以把音频电信号转换成磁信号而记录到磁带上，或者把磁带 上的磁信号转换成音频电信号，然后经放大处理，再由电声换能器转换成可闻声。 实现电能与机械能相互转换的机电换能器，如电动机是输入电流产生磁场力，然后推动电枢转动，而发电机则因电枢转动并通过磁场作用而产生电流。又如电 唱机的拾音头，唱针沿唱片沟纹槽移动而产生音频机械振动并转换输出音频电信号，经放大处理后再由电声换能器转换成可闻声。 实现电能与光能相互转换的光电换能器如白炽灯泡、太阳能蓄电池（光电池）、光电二极管等电激发光器件。 此外，还有实现电能与化学能相互转换的器件，如蓄电池放电时是把化学能转变为电能，而它在充电时则又将电能转换为化学能。实现电能与热能相互转换的 器件就更多了，如电炉、电烤箱、电饭煲、电炒锅、电热杯、电热毯、电热梳、电烙铁、电熨斗等是由电能单向转换为热能的器件，而热电偶则是由热能转换 为电能的器件，家用电器中新兴的电磁灶，是由电能激励的磁场作用在金属器皿上形成涡电流而使金属器皿发热，微波炉是由电能激发出微波（电磁能）再进 一步使食物发热... 总而言之，能够起到转换能量形式的器件种类繁多并且还会不断有新的类型出现，从广义上讲，可以笼统地把它们都称为换能器。但是，在检测技术中所讲的 换能器是有着特定的定义的，也就是本教材所要阐述的换能器。 二.换能器的标准定义 在工程检测技术中所讲的换能器，是特指能够从一个系统接收信号而向另一系统输出信号，接收信号与输出信号属于不同的能量形式，但输出信号能表现输入 信号某些特征的器件。因此，作为一个换能器系统，通常需要包含一个储能元件，在它工作时，储能元件将一种形式的能量储存起来并转换成另一种形式的能 量输出。在实际应用中，要求换能器能把某种不容易或不便测试与处理的能量转换成另一种容易进一步处理或便于测试的能量，从而有可能对原来的输入能量 进行评定或分析研究。例如测定环境噪声用的声级计，它可以把一定程度的环境噪声转换成一定大小的电信号，从而可以进一步定量地显示出环境噪声的强度 大小。又如利用漏磁特性的无损检测技术中应用的换能器（探头），可以把被充磁工件上有缺陷存在处的漏磁通转换成电信号，经处理后可以显示缺陷的存在 和评定缺陷的大小。在利用涡流特性的无损检测技术中，由仪器产生的交变电流激励探头产生交变磁场，从而在导电工件上感生涡电流（涡流），工件上有缺 陷存在处的涡流大小会发生变化，使反作用于探头的磁场发生变化，由于该磁场的变化将引起探头中检测线圈的感应电流变化，从而可以根据这种变化判断缺 陷的存在与大小。 在工程检测技术中应用的换能器种类很多，下面仅就最常用的几种电声换能器的基本原理做一简单介绍。 三.常用电声换能器的基本原理 1.压电式换能器：压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。 [1]压电效应 某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产 生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又 进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。 压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。
具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英（SiO2）晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）等等。 [2]电致伸缩效应 某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用 时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效 应。
１－１Leabharlann 电致伸缩效应也有逆效应，即具有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时，其总的极化强度将会发生变化，即表现为电极化（产生电场）。 因此，电致伸缩效应可以说与电极化现象有关（自极化）。 从上述的压电效应和电致伸缩效应的结果来看，两者有几乎相同的表现形式。其中，正压电效应的表现结果与逆电致伸缩效应相当，而逆压电效应的表现结果 则与正电致伸缩效应相当。因此就宏观上来看，在实际应用中常把两者通称为压电效应，但必须注意到它们的物理意义有实质上的不同。在超声检测技术中， 对压电材料施加交变电场，该材料将沿电场方向发生交变应变，从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。反之，对压电材料施加交变应力 （即受到超声波的作用）而使该材料发生交变应变时，则会在该材料上产生交变电场，从而达到接收超声波的目的。 利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、铌酸铅（PbNb2O3）等。 压电式换能器的主要特点是电声转换效率高，特别是接收灵敏度高，但其机械强度较低（脆性大），因而在大功率应用上受到限制（不过目前的最新技术已能 达到数百瓦到上千瓦的声辐射功率）。此外，某些单晶材料容易溶于水而失效（水解）。 2.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的 长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长 度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料 在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。 这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。同样， 利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度 发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波 的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。 根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度 以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。 磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其 特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激 励电能以用于大功率场合。 需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应的影响会使透入深度受到限制，因此这种磁致伸缩效应所波及的范围仅限于材料表面。在产生超声波时，超 声波的强弱取决于材料表层交变磁场的强度，此外，传声介质与材料表面接触的紧密程度（声耦合）也极为重要。 常用于磁致伸缩式换能器的材料有金属镍、金属钴、铁钴合金、铁镍合金、镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等。 3.电动式换能器 这是一种把电能转换成机械能，或把机械能转换为电能的装置，其结构如图1.1所示，与膜片相连的圆筒上有细漆包线缠绕的线圈即音圈，该圆筒套在中心磁 导体上。
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图1.1 电动式换能器基本结构示意图 我们知道，在电磁学中有下述关系式： F=Bli 和 e=Blυ 式中：F-作用力；i-电流；B-磁感应强度；l-导体长度；υ-导体运动速度；e-感应电势 根据电磁感应原理，对位于磁场中的导体通入电流i时，将有电磁作用力F作用于导体（如果磁场恒定不变，则电磁力F的大小与电流i成正比），根据左手定 则，导体将会在输入电流与磁场内磁力线相交平面的垂直方向产生位移（当电流方向改变时，作用力的方向也同时改变），这样就会带动与导体连接的振动膜 运动，进而推动振动膜周围的传声介质而发射机械振动波（声波）。相反，当与导体连接的振动膜受机械振动波（声波）作用而振动时，带动导体在磁场中运 动，切割磁力线，就会在导体两端产生感应电势，其方向决定于右手定则，这种感应电势即可作为接收信号输出。在实际应用中，通常在换能器外壳上附设体 积很小的升压变压器，把音圈上的感应电势升压后再输出。 常见的电动式换能器有动圈式扬声器及话筒，或带式传声器等。电动式换能器的结构简单牢固，方向性强，电声效率高，但由于其结构所限，不适用于高频场 合而多用于低频情况下工作，如音响装置中的低音扬声器。 4.电磁式换能器：这是利用电磁作用力和磁路中磁阻变化而起换能作用的器件，其结构如图1.2所示。