超声换能器

超声焊接换能器：超声清洗换能器：
大功率换能器：洁牙换能器：
聚能式换能器磁致伸缩换能器
压电换能器倒喇叭形换能器
塑料熔接换能器柱形超声换能器
压电陶瓷换能器平面活塞换能器
历史与发展
超声学的一些研究早在十九世纪下半叶就开始了，但全纯属学术上的探讨、建议将超声应用到实践中去的首次记载出现在1912年，当时、由于Titanic号的遇险，L.F.Rrichardson提出可用声速来探测海中的障碍物，1914—1918年间，为了探寻潜水艇的特殊目的，这个概念再次被考虑，但是所研制的仪器在那次战争中并未使用。

随着这项工作的进一步开展，出现了有效的船用设备，并导致超声探测装置的研制，在当时的若干年中这一直是超声在实验室外的应用。

二十世纪二十年代中，Boyle和他的同事们以及Wood和Loomis的工作中用的是石英晶体发生器，后来Pierce、Chambers和Gaines的工作中使用了磁致伸缩发生器。

他们建立了产生高声功率的技术，并开始测量了一些有关特性。

他们也证明了许多能够产生的惊人效应，但这些效应主要只不过是作为实验室表演中的新奇东西而已，以后其他工作者重复了并大大地发展了他们的结果，然而超声技术真正的实际应用却很少，另一种广泛使用的仪器是超声探伤仪，这是在1939年到1945年间在美国和英国独立地研制出来的。

压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料的提供为前提条件的，1880年Curie兄弟已发现了压电效应，但直到电子管放大器的应用，压电效应才能用于电声转换工程上，直到第一次世界大战期间，法国物理学家Langevin研制成功了第一个实用的压电换能器后，使得压电效应得到了实际的应用，Langevin是应法国政府的要求研制一种探测潜艇的装置，在试验了几种装置以后，发现压电石英换能器能达到这个目的，虽然直到第一次世界大战结束，他并没有是他的装置搞得很完善，但后来这种装置被广泛的用作超声探测仪，直到今天，这种类型的换能器仍得到了应用，并且由于压电换能器作为高频声源的出现，使得高频声的研究才成现实。

在第二次世界大战前，压电陶瓷这个词即使对物理学家也是陌生的，但在50年代后期，发现了铁电陶瓷的电致伸缩效应，但它们的成分和性能能够得到有效的控制和重复生产，并解决了极化工艺以后，压电陶瓷就成为了另一种换能材料——磁致伸缩材料的有力的竞争者，并逐渐处于统治地位。

60年代中期研制成功的预应力螺杆复合棒压电陶瓷换能器，以较小的重量和体积而获得大的声能密度，广泛地用于超声和水声的发射器，目前，从用于大型声呐中的低频大功率换能器，到用于声全息和超声医疗的微小而十分精密的换能器，多以压电陶瓷作换能材料。

压电陶瓷换能器已成为产生和接收声的最有效的手段了，在压电陶瓷发展的同时，由于单晶生长工艺的不断改进，出现了一些性能优良的单晶压电材料，压电高聚物和压电复合材料等新的压电材料也在不断出现，它们为声学技术提供了极重要的手段。

主要应用及其原理
A：探测与通讯系统
1 回声测量
利用声速在海中进行可直接观测范围以外的探测
在海中向下发射具有方向性的声脉冲，通常是使用高频率的猝发能量，要探测很远的距离时，可利用爆炸产生的单个矩形脉冲提供更强的信号，到达海底的一部分能量被反射回来，用一个接收换能器加上放大器和指示器，就可以检收返回的信号，发射到接收的时间间隔与脉冲走过的距离成正比，这是指示出海的深度。

有些老式的设备用的是石英换能器，钛酸钡换能器目前也在使用，但回声探测最常用的是镍制磁致伸缩换能器
2 探伤
超声波可以穿透一些电磁波所不能穿透的物质，同时有仍能在两种物质的交界面上反射。

由于金属部件内部的不均匀性会大大减小它的强度，确定是否有缺陷存在显然是很重要的，在制造过程中，检查进行的越早，经济效应就越大。

为了能够发射脉冲序列和区别在不同时间接收到的信号，使缺陷反射的回声不致为其他表面的回声所掩盖，需要有更加精巧的电路布置，这使得探伤仪的价格大大提高，发射和接收可以分开使用两个换能器，也可以合用一个换能器，接收到的信号通常用阴极射线管显示。

由于需要很高的频率，超声探伤仪向来这要是使用石英晶体换能器。

3 测厚
反射型探伤仪可以用来测量厚度，方法是测出对面反射回声的到达时间，这种方法可以用在当物体只有一面可以接触的情况，也可以用来检测大容器器壁被腐蚀的情况，这样得出的读数通常不是很准确的，因为需要测量时间而脉冲没有很尖锐的边缘，这种方法更严重的缺点还在于，当距离短到使回声不能与发射脉冲充分分离时，它根本就无法测量，
因此，创制了一种仪器，它是根据试验品的共振频率来确定厚度的，当厚度等于半波长时发生基频共振，当谐频为基频的整数倍。

这种技术的基本原理如下：把换能器与试验样品接触，以不同频率激发试验品；当达到共振的时候，它的振幅加大，消耗了更多的能量，这些能量必须由策动器的电路供应，因而改变了电路的情况。

4 超声延迟线
把电信号转变为声信号的最常用的方法是用石英晶体或钛酸钡换能器与液体或固体耦合，对于绝大多数的实际系统，声信号走过所需要的声程之后，又用类似的换能器把它转变为电信号。

后面一步工作也可以利用德拜—西尔斯效应或阿伦堡描述的光弹性效应。

这样，可以应用光拾声元件而不会干扰超声速，但他们的使用限于透明的介质。

而且由于光学系统需要精密的调节，设计一个体积不大而又结实的装置是相当困难的。

但值得指出，在家庭使用的斯可风电视接收机中应用了类似的装置。

5 固体弹性的测量
用超声测量固体弹性的方法大致上分为两类：一类是使脉冲波在物质中传播。

直接记下传播时间，求出传播速度，另一类是是样品发生共振，由共振频率间接求出弹性波的传播速度。

弹性波的速度与物质的动力弹性常数存在着一定的
关系，这个关系依赖于实验条件。

用一个用样品耦合的换能器供给重复的超声脉冲，脉冲穿过样品后用接收器接收，接收和发射的脉冲都显示在阴极射线管的荧光屏上，两者的时间间隔给出传播速度，它们的幅值比给出内摩擦和散射的量度，用标准频率调制阴极射线示波器的电子踪迹，可以量出时间间隔。

B：机械上的应用
1 除烟
Kundt关于声波对细粉末作用的经典实验是强声波在气体中的效应的最早发现之一，Konig用较大的功率继续进行了类似的工作。

后来，Brandt和Freund、Hiedemann、Andrade和Parker对烟灰在超声场中的凝聚作了定量的研究。

在最近八年或十年当中，制成了大功率发生器，使这种效应已有应用到工业中去的可能。

2 加工
今年发展起来的一种大有希望的超声应用是用它对很硬的材料加工。

C：其他应用
1 对液体进行空化、乳化、清洗和扩散
2 用于聚合物、冶金、锡焊
3 用于对生物的治疗
压电超声换能器最新发展：
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。

大功率换能器
在许多场合需要大功率的换能器。

在大功率换能器领域, 铌镁酸铅(PMN ) 陶瓷是有发展前途的材料。

PMN 的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变, 迟滞小。

但电致伸缩效应是非线性的, 相应的物理常数取决于温度和频率, 且需直流偏压, 这就需要研究如何处理这些问题。

在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器, 在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。

阶梯换能器为在液体中高效地产生高强度的超声辐射提供了一种优化系统。

西班牙J1A 1Gallego2Jurez 等人开发了新型阶梯板状换能器, 它具有高的功率容量、效率和指向性。

该换能器用五个圆形阶梯型换能器组成的阵列, 覆盖的照射面积大约1164 m ×1164 m , 组成阵列换能器的每个单元的特性: 照射板的直径Á 48 cm; 谐振频率为21 kHz; 指向性(3 dB 波束宽度) 115°; 功率容量为500W; 效率75% [ 5 ]。

大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。

低压驱动换能器
许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。

锆钛酸铅(PZT ) 是广泛应用的电声转化材料。

在20 kHz 时, PZT 在400 kV öm 的电场中, 在共振条件下产生的振幅要达到微米级,需2 000 V 的电压, 5 mm 厚的压电陶瓷环。

在某些情况下(航空航天, 便携式装置) , 使用高压是一种缺陷。

此时, 大振幅的超声频率必须用低压驱动。

减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。

因为当场强一定时, 极间距越小, 所需电压也越小。

多层压电陶瓷的薄层厚度
30～200 Lm, 电极的间距等于陶瓷层厚。

所以, 要用相同尺寸的装置得到同样的位移, 多层压电陶瓷的电压就远远小于单层的。

法国B1Dubus 等人对多层PZT 郎之万换能器的谐振子进行了实验研究。

在低电压下得到了大的振幅(10 V , 5 Lm)。

发现当换能器连续工作时, 去极化是个严重问题。

可通过对陶瓷片的界面抛光和对换能器加直流偏压解决。

他们用的郎之万换能器, 多层压电陶瓷由20 层陶瓷片组成, 每层厚100 Lm ,每端加了绝缘陶瓷。

换能器的总高度为38 mm , 纵向振动频率约13 kHz。

响应的耦合系数等于0122。

多层压电陶瓷的界面多, 损失大, 发热严重。

为了减小损失和防止去极化, 装配前对各层结合面进行了抛光, (粗糙度R a= 0104 Lm, 平面度015 mm , 平行度1 Lm)。

此外, 叠片只是靠机预应力保持紧密贴合, 而没做任何粘接。

高频换能器
频率大于15～20MHz 的B 超在医疗上的应用已有十几年了, 高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展, 如换能器(压电材料、灵敏度和聚焦性) , 信号的快速电路和数字化等。

目前利用钛酸铅(PbT iO3 ) 的厚度伸缩振动的三次谐波模式, 已经制成高达l00MHz 以上的高频压电陶瓷振子。

振子厚度只有70 Lm, 能与高频石英晶体振子相比, 而最高的超声振子的频率可达 1 000MHz。

如用波长表示超声波段的范围, 在液体、固体中最短的超声波长为微米量级, 可以和可见光波的波长相比。

高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。

随着电子技术的发展, 需要越来越大。

国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约10 亿只, 而国内仅有极少数几家生产13MHz 以下器件, 产量约3 亿只, 供需矛盾突出, 尤其是13MHz 以上的器件基本上依靠进口,市场缺口非常大。

随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进, 谐振频率及特性的不断提高, 它将越来越广泛地取代石英晶体器件, 其应用量将以每年5%～10% 的速度递增。

所以研制高频压电陶瓷谐振器产品, 具有极大的推广应用前景, 有良好的市场空间。

压电薄膜换能器
随着沉积技术、微细加工技术的发展, 压电薄膜制备技术日趋成熟, 它带来了许多优点, 即
(1) 便于换能器微型化;
(2) 提高了换能器的频率、带宽和分辨率;
(3) 便于组成各种聚焦换能器和换能器阵;
(4) 运用M EM S技术可很方便地将换能器与驱动、控制电路集成在一起。

超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。

因此, 提高超声图像的分辨率已成为超声成像技术研究的方向之一。

最近, 一系列频率范围为20～100MHz 的超声换能器问世。

压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应, 用于超声成像可获得高分辨率的图像。

用压电薄膜制作的球形聚焦换能器国外已有报道, 频率范围在50～100MHz,国内现主要是将压电薄膜用于水听器。

刘晓宙等人采用PVDF 压电薄膜材料, 设计和制作了PVDF 高频超声聚焦换能器, 获得了满意的结果。

换能器的微型化
装置的微型化离不开动力元件的微型化, 在动力微元件中, 压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。

压电超声换能器是压电微马达的核心部件。

微型压电超声马达的研究起始于美国,1992 年麻省理工学院的A ntia1M 1F
lynn 等人研制出转子直径为Á 115 mm 的薄膜式微型压电超声马达。

随后, 日本Takesh iMorita 等成功地研制了PZT压电薄膜圆柱微型超声马达, 马达定子换能器的外径Á 114mm , 内径Á 112mm , 长度5mm。

在该研究中, 开发了“改良的成核工艺”, 成功地改善了沉积PZT 薄膜的性能。

PZT 薄膜的厚度为12 Lm, d 33=- 25 pCöN 。

定子换能器的共振频率为227 kHz, 在410 V 的驱动电压下振幅58 nm。

转子靠摩擦力驱动并可反转。

最大转速为680 röm in, 最大转矩0167LNm 。

2001 年, 我国清华大学的周铁英教授研制成功了世界上最细的超声马达, 直径只有Á 1 mm ,目前他们正积极开展直径Á 015 mm 超微马达的研制。

但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻, 目前仍处于实验研究阶段, 离工业化还有一段距离。

换能器的集成化
集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。

超声马达通常在高于常备电池的交流电压下工作, 这就需升压的变压器。

美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。

超声马达的定子和压电换能器在相同的径向振动模式下工作。

它们的尺寸非常接近, 可产生密切匹配的共振频率。

因此, 它们不用感应线圈而能耦合到一起。

用压电陶瓷制作的超声马达, 需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。

传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成。

而电磁变压器体积大, 并产生电磁噪声,而用压电变压器则无此缺点。

集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。

除上面所列的方向外, 近年来微细加工的容性超声换能器(cMU T s) 已成为研究的热点。

基本原理：
换能器
换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。

通常所说的换能器一般都是指的电声换能器，凡能实现电能和声能间相互转换的换能器成为电声换能器，用来发射声波的换能器叫发射器，换能器在发射状态时，将电能转换为机械能，再转换成声能，用来接收的换能器叫接收器，换能器处于接收状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能，一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。

通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统，当换能器用作发射时，从发射机的输出级送来的电震荡信号引起电储能元件中的电场或磁场的变化，这种变化借助于某种物理效应对换能器机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态。

从而推动与机械振动系统相接触的介质振动，向介质中辐射声波。

接收的过程正好相反，这是介质声场作用在换能器的振动面上，是机械振动系统发生振动时，借助于某种物理效应，引起电储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而是换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压或电流。

按照实现机电转换的物理效应的不同，将换能器分为：电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电致伸缩式等。

极化了的电致伸缩换能器，从换能原理和处理方法上可以看成压电换能器，一般也把它称作压电换能器。

压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的
极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或称为电致伸缩现象。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。

正压电效应
当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应
逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。

用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。

压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。

压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。

例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电材料：压电晶体、压电高分子、压电陶瓷
压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。

如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。

而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。

也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。