换能器.docx

超声波换能器简介 一、超声波换能器种类 按照能量转换的机理和利用的换能材料：压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器(电容型换能器)、机械型超声波换能器等。 按照换能器的振动模式：纵向(厚度)振动换能器、剪切振动换能器、扭转振动换能器、弯曲振动换能器、纵-扭复合以及纵-弯复合振动模式换能器等。 按照换能器的工作介质：气介超声换能器、液体换能器以及固体换能器等。 按照换能器的工作状态：发射型超声换能器、接收型超声换能器和收发两用型超声换能器。 按照换能器的输入功率和工作信号：功率超声换能器、检测超声换能器、脉冲信号换能器、调制信号换能器和连续波信号换能器等。 按照换能器的形状：棒状换能器、圆盘型换能器、圆柱型换能器、球形换能器等。 另外，不同的应用需要不同形式的超声波换能器，如平面波超声换能器、球面波超声换能器、柱面波超声波换能器、聚焦超声换能器以及阵列超声换能器等。 二、换能器工作原理 超声波换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件，其工作原理是基于晶体的压 电效应及逆压电效应。 有些单晶体和多晶陶瓷材料受到应力能在材料中产生电场，这种效应称为压电效应，这些材料称为压电材料。 电能转换成超声波能量是利用逆压电效应原理，而接收超声波使之提供电信号则是利用压电效应的原理。 由于超声波在介质中传播时会产生许多物理，化学及生物等效应，同时因为超声波穿透力强、集束性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用。 三、超声波换能器能量转换原理简介 换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置，在声学研究领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的相互转换。 用来发射声波的换能器称为发射器，当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能；用来接收声波的换能器称为接收器，当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。 通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。 当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件的电场或磁场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。 接收声波的过程正好与此相反，在接收声波的情况下，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压或电流。 四、超声波换能器的主要性能指标 超声波换能器的性能指标有工作频率、机电耦合系数、机电转换系数、品质因数、方向特性、发射功率、效率、灵敏度等。根据实际用处不同，以及使用场合的差异对不同的换能器性能提出不同的要求。超声波换能器的主要技术指标： 1、工作频率 换能器的工作频率选择很重要，它不仅直接关系到换能器的频率特性和方向特性，也影响到换能器的发射功率、效率、灵敏度等重要性能指标，换能器的工作频率应该与整个超声设备的工作频率相一致。大多工作频率选在换能器的机械共振频率附近，因而换能器频率一般指换能器的共振频率或其附近的频率。 2、机电转换系数和机电耦合系数 超声波换能器的机电转换系数，是指在机电转换过程中转换后的力学量(或 电学量)与转换前的电学量(或力学量)之比。对于发射换能器： 机电转换系数 对于接收换能器： 机电转换系数 超声波换能器的机械能和电磁能相互转换的过程，就是机电耦合过程。机电耦合系数定义为： 压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不同。机电耦合系数为无量纲单位。 3、换能器的机械品质因素 是从电学中应用到机械振动系统中来的一个重要物理量，有三种重要定义方式： 式中：为机械谐振频率；为等效质量，为机械阻力。 式中： 和表示衰减振动的两次相邻振幅值。 式中：，为谐振频率左、右两边半功率点上的频率值。又称为频带宽度。 由此可见，换能器的机械品质因数与标称带宽密切相关，即与机电耦合系数密切相关，而且与所在介质的辐射阻、换能器结构、材料及损耗密切相关。 4、换能器的方向特性 一个发射或接收声波的换能器，其尺寸和所在介质中的声波波长可相比拟时，它发射的声能是集中在某些方向上的，即具有一定的扩散角，其大小满足： 式中：为超声波波长(与频率成反比)，为换能器直径。 所以频率越高，扩散角越小。但是，超声波在传播过程中，散射衰减系数分别与频率的四次方和平方成正比。因此超声波的频率不能太高。 5、换能器的频率特性 所谓频率特性就是换能器的主要参数，