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