_压电换能器和换能器阵简评
第二章 医学超声换能器
材料仅作厚度振动，参量仅在厚度方向时的压电方程
S = （1/YE ）T+dE
①
D = dT+εTE
②
式中：YE－电场不变时的杨氏模量
D－电位移 E－电场强度 S －应变 T －应力 εT －应力不变时的介电常数 d －压电常数
定义换能器特性的坐标系统
r0
4a2 2 4
D2 2 4
式中，D=2a——压电体直径，如a>>λ，则
声学上称：
r0
a2
① r < r0——近场区 ② r > r0——远场区
（4）轴向声强分布特点
① 近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变 ② 远场区：声强轴向单调衰减，I ∝1／r2
二、径向声场分布（r=定值, θ可变）
证明：
∵ sin 1 c透 sin 2 c人
c 透 > c人，θ1,θ2<90o
∴ θ1>θ2
3. 单元探头的设计
三、常用多元探头
多元探头是将n个振元排列成某种阵列，应用电子技术， 以某种逻辑程序，使声束在空间不同方位上进行扫描，从而 显示出组织的图象。
根据振元在 空间上的排列以 及声束的形成方 式，可分为线列 阵、相控阵和方 阵。
T= －YEd E=－(dYE)V/L
E=V/L，P=－T
即：应力T正比于加的电压V
d/g =εT
（3）加压力P，开路（D=0）时，由②式得：
V= －dT(L/εT)=(d /εT)LP = gLP
即：产生电压V正比于加的压力P
（4）加压力P，短路（E=0）时，因D=q/A，由②式得：
一文读懂换能器
一文读懂换能器一文读懂换能器文| 传感器技术（WW_CGQJS）换能器的英文名称是transducer，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：电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等，在水声领域中常把声呐换能器、水声换能器、电声换能器统称换能器。
水声换能器水声换能器是完成水下电声信号转换的器件，它是电子设备与水下信号声场间相互联系的纽带。
鉴定一部水声仪器性能的好坏，往往是首先看它的换能器性能如何。
水声换能器的分类按工作形式可分为发射换能器和接收换能器；按结构形式可分为球形换能器、圆管换能器、弯曲圆盘换能器、复合棒换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器、矢量水听器和光纤水听器等等；按电场性换能材料可分为压电单晶、压电陶瓷（如钛酸钡、PZT）、压电薄膜（如PVDF）、压电复合材料（如1-3压电复合材料）和弛豫型铁电单晶等等；按磁场性的换能材料可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、铁磁流体和超磁致伸缩稀土材料等等；其他：带有匹配层的换能器、电火花声源、MEMS水听器阵列和带有反声障板的声基阵。
声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，由此水声换能器也被人们形象的比喻为声纳系统的“耳目”。
随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提。
水声换能器技术包含新材料、新原理、新结构和新工艺！材料技术：有源材料（压电材料和磁致伸缩材料），无源材料（吸声、反声、透声、去耦和结构）；设计技术：理论、结构和匹配设计；制作技术：加工、装配和灌封。
不同工作频率的水声换能器的应用水声换能器基阵在潜艇上的应用水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号，由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。
固体声学课程计划-中国科学院声学研究所
关于开设博士和硕士学位课“固体声学”课程的计划一、教学背景固体声学研究声波在固体中的传播规律及其应用的一门声学分支，在工业无损检测，超声电子学，医学超声诊断和治疗，深部固体地球资源探测，海底对水声的影响等领域有广泛的应用。
声波在固体中的传播比液体中复杂得多，其中许多问题是国内外学术界的研究热点。
这方面的知识是我所多个方向科研工作的基础，也是研究生学习的重要内容。
但是长期以来我所没有特别组织这方面的教学，研究生大学也没有专门的课程，研究生只能通过文献自学，效果不够理想。
针对这种情况，我们提出开设固体声学课程的设想。
以后逐渐写成教材，成为正式博士和硕士课程。
二、教学安排每周一次，每次3学时，开设两个学期，计120学时。
计划在2013年12月开始。
固体声学课程计划分上下两册。
第一册致力于介绍固体声学的基本原理和方法，一方面，教师通过固体声学应用实例及其现象的讲述，使得学生逐步建立起固体声学的基本物理概念；另一方面，教师通过讲述波动现象及其物理表述的手段和方法，使得学生更加牢固掌握固体声学的理论和方法。
第二册是第一册的延伸，讲课对象是对具有一定的数理知识和固体声学知识的高年级学生，主要讲述复杂固体介质中的声学理论与方法，如孔隙介质声学、粘弹性介质声学等，并介绍固体声学中的相关的计算声学问题，如固体声学中的有限元和谱元法数值模拟计算等。
三、课程目的本课程的主要目的是通过教师对固体声学的基本概念、基本原理和基本应用的讲述，使得学生能够掌握固体声声学的理论和方法，为进一步研究复杂固体介质的声学理论和方法，开展固体应用研究和高技术研发等提供坚实的物理基础。
四、授课教师王秀明、张海澜等(超声物理与探测实验室)五、教学内容和计划(共计120学时)固体声学（一）（60学时）1.固体声学的数理基础. (12学时)1.1引言（浅谈声学与音乐和诗词的关系）1.2振动与声的基本概念1.3固体声学的基本内容1.4声场表述的格林函数法1.5声场表述的谱方法2. 固体声学方程（9学时）2.1 质点的力和位移(矢量的概念)2.2 弹性固体的应力和应变(张量的概念)2.3应力和应变的关系(胡克定律，各向同性和各向异性)2.4缩写下标与变换(张量矩阵和坐标系变换)2.5弹性动力学方程3. 固体介质中的平面声波. (9学时)3.1 平面声波方程(纵波和横波)3.2 稳态和瞬态平面波3.3相速度与群速度3.4弹性波的阻尼衰减4. 弹性波的反射和透射. (9学时)4.1 界面的边界条件4.2平面波在边界上的反射与透射(反射系数与透射系数)4.3斜入射Snell定律和全反射4.4复波数矢量与凋落波5.表面波、界面波和板波. (6学时)5.1 自由表面上的Rayleigh波和Love波5.2 固-固界面和流-固界面的Stoneley波5.3 自由平板中的Lamb波(Lamb波的频散、激发和接收)5.4 薄板的低频近似理论6. 圆杆和空心圆管中的声波. (6学时)6.1 纵波在细杆中的传播6.2 无限长圆杆中的声波导6.3 空心圆管中的周向导波6.4 空心圆管中的纵向导波6.5 导波的频散特征7.径向多层介质中的声波导. (9学时)7.1 流-固径向多层井孔模型及声场函数(传递矩阵法)7.2 井孔中的声源与声波导的模态(对称模态、弯曲模态等)7.3 井孔声场的频散、衰减和激发强度7.4 传播模式和泄漏模式7.5 离散波数法和实轴积分固体声学（二）（60学时）8. 复杂固体介质中的声传播(6学时)8.1复杂固体介质中的声学问题（各向异性、粘弹性、多相孔隙介质）8.2固体声学中的计算方法简介（有限差分、伪谱、有限元和谱元）9. 复杂介质中的波. (6学时)9.1各向异性介质中的波9.2 线性粘弹性介质中的波9.3双相和多相孔隙介质声传播10. 固体声学中的数值模拟问题和计算方法(15学时)10.2 时域有限差分法.10.3 吸收边界条件.10.4有限元法.10.5谱元法.10.6大规模声学计算中的并行处理11．学非线性问题. (6学时)11.1非线性声学基础11.2限振幅波11.3 声弹效应和高阶弹性系数11.4 微扰理论和变分方法12. 声学换能器基础. (6学时)12.1 电声换能器的一般理论12.2 压电材料和压电换能器12.3 换能器振动体的数值分析方法12.4 换能器阵13. 声学测量与实验. (6学时)13.1 弹性系数的声学测定13.2 换能器指向性检测13.3 缩尺模型井中的声学实验13.4声波仪器的声速刻度和标定13.5隔声体测试14. 固体声学应用实例.(15学时)14.1 声波测井和储层声学评价.14.2储层声学逆时偏移技术.14.3固井质量检测技术.14.4超声无损检测和医学超声应用.14.5其他五、教学要求通过深入而系统地学习固体声学相关知识，使得学生理解和掌握固体声学的基本概念、基本理论和方法，以及基本应用，为学生利用固体声学理论和方法开展相关科学研究和技术研发提供必要的专业知识。
医用换能器的简介剖析
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料
（Terfenol-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
◆ 电动式换能器
输出力：F=BIL
电动式换能器的优点： (1)频率低，可做到几赫兹 (2)非谐振结构，易实现宽带 (2)体积小、重量轻
电动式换能器的缺点： (1)效率低，通常不足1%，声源级低 (2)波形差，易受工作环境影响 (2)工作深度不足
UW350
SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m
◆ 圆管换能器
压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。
各种压电陶瓷圆管
镶拼圆管
非溢流圆管换能器
溢流圆管换能器
特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。
◆ Helmholtz换能器
fr
1 2
1 M aCa
排列。当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电 偶极矩P1、 P2、P3
压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从
压电超声换能器的应用与发展
压电超声换能器的应用与发展摘要: 压电换能器是超声技术的主要部件, 其种类多, 用途及发展前景广。
该文回顾了超声换能器的发展历程, 概括总结了压电超声换能器的分类和应用, 分析了压电超声换能器的发展趋势。
大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化是当前的发展方向。
超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。
最早的超声换能器是P1 郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。
这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。
1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。
到了50 年代, 由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。
目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。
目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。
超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 国内外均大力研究, 近年来取得了很多成就。
本文将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。
1压电超声换能器的种类压电超声换能器的种类很多, 按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等; 按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等; 按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等; 按压电转换方式分为发射型(电2声转换)、接收型(声2电转换)、发射2接收复合型等。
2压电换能器的应用压电换能器的应用十分广泛, 它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等; 按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等; 按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等; 按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。
(1) 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。
压电陶瓷换能器
简介
超声技术是一种广泛使用的无损检测技术，它以声学理论为基础，不断应用于电子、通信、医学、生物及物 理领域。在现代检测技术中，利用超声技术研制的换能器以其灵敏度高、精度高等优点正在越来越受到人们的。
检测过程中常用的换能器有:压电式换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。最常用的是压电 换能器，它的核心部件就是压电晶片。压电晶片可以在压力的作用下发生形变，从而导致晶片本身发生极化，在 晶片表面出现正负束缚电荷，此效应为压电效应。并且，压电效应具有可逆性，即对晶片施加电压后会发生形变。 在检测过程中，利用超声探头的逆压电效应可以产生超声波，利用压电效应达到接收超声波的目的。
应用
由于超声技术的非接触性等优点，尝试把压电陶瓷超声换能器应用在液体浓度检测系统当中。系统中的芯片 采用的是Spartan 3E系列FPGA。压电陶瓷换能器在其中担当着发射信号和接收信号的重要功能。把换能器产生的 一定频率和幅值的超声信号通过发射电路打入液体内部，经过液体对信号的衰减，从接收换能器端可以接收到带 有液体浓度信息的信号。再通过声衰减法的分析，有效得出液体的近似浓度。系统的软件设计包括主程序，超声 测量程序，脉冲控制程序，脉冲收发程序，ADC采集控制程序以及时钟和报警程序。
压电材料的选择
压电换能器材料的主要性能参数有： (1)压电应变常数 表示当压电晶体受到外界的单位电压时，所产生的应变大小。 (2)压电电压常数 表示当压电晶体上受到外界单位应力时，所产生的电压梯度大小。这两个参数是衡量压电晶体材料发射性能 的重要参数，参数越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。 (3)频率常数 压电晶片的固有频率和其厚度乘积是一个常数，称为频率常数N，由此看出晶片厚度与谐振频率成反比，而超 声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速 。
超声波发生器的工作原理
超声波发生器的工作原理一、引言超声波发生器是现代科技生产中常用的一种设备，它能够生成高频率的声波，很大程度上可以提高工作效率和生产质量。
但是，很多人对其工作原理不是很清楚，下面我将为大家介绍一下超声波发生器的工作原理。
二、超声波的基础知识超声波是频率高于20kHz的声波，其振动方向与传播方向垂直，具有较强的穿透力和反射能力，因此被广泛应用于医疗、安防、无损检测等领域。
三、超声波发生器的组成超声波发生器主要由发声器、放大器、控制器和换能器等部分组成。
发声器是负责将电能转化为声波能量的部分。
常见的发声器有压电振荡器、电磁振荡器等。
放大器是将电能放大后送给发声器的部分，通常采用功率放大器。
控制器用于调节发声器和放大器的参数，以达到预期的声波效果。
例如，可以调节频率、幅度等。
换能器就是在物理上负责将电能转化为声波的部分，可以分为压电换能器和磁性换能器两种。
压电换能器是利用物质的压电效应产生声波，磁性换能器则是利用磁性材料的震荡效应产生声波。
四、超声波发生器的工作原理在工作过程中，超声波发生器首先将电能经过放大器放大之后，传送到发声器中。
发声器将电能转化为机械能将金属振动器振动，振荡的金属振动器进一步产生了超声波。
换能器起到了将电信号转化为机械振动能量的作用，通过鼓膜的振动传导到外面的空气中。
五、超声波发生器的应用领域超声波发生器被广泛应用于医疗、环保、安防、无损检测、清洗等领域。
例如，在医疗领域，超声波可以用于诊断和治疗。
在环保领域，超声波可以用于废水处理。
在无损检测领域，超声波可以用于表面缺陷检测和内部缺陷检测。
在清洗领域，超声波可以用于清洗难以清洗的物体。
六、总结超声波发生器是现代技术中不可缺少的一部分，其应用广泛且效果显著。
在使用超声波发生器的时候，需要从系统整体考虑，控制器起着关键性的作用，要根据不同需求进行不同的调节。
医学超声仪器 第二章
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⑵ 作用： 发射、接收超声，即：电－声、声－电转换； ⑶ 要求： ①可加工性； ②银层牢固； ③各部分性能一致性； ④性能稳定性和可靠性。 ⑷ 特性： ①晶片厚度确定发射超声的频率； ②晶片形状确定声束的形状和声场分布。
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2．吸声背块 ⑴ 作用： ①吸收晶体背向辐射的超声。 ②增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率。 ⑵ 要求： ①与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射。 ②对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射。 ⑶ 组成： 环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉
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轴向上声场分布图
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⑶ 近场距离( r0 )：
4λ 4λ 式中，D=2a——压电体直径，如a>>λ，则 a2 r0 = λ 声学上称： ① r < r0——近场区 ② r > r0——远场区
⑷ 轴向声强分布特点： ①近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变 ②远场区：声强轴向单调衰减，I ∝1／r2
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讨论： ⑴加电压V，自由(T=0)时，由①式得： △L=SL=dEL=dV 即：形变△L正比于加的电压V ⑵加电压V，夹紧(S=0)时，由①式得： T= －YEd E=－(dYE)V/L 即：应力T正比于加的电压V
S = (1/Y E)T+dE ① D = dT+ε TE D/g =ε T
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r0 =
4a
2
− λ
2
=
D
2
− λ2
二．径向声场分布（r=定值, θ可变) ⑴ 径向近场分布 近场衍射现象：声束截平面上声强分布为许多最 大强度和最小强度的同心圆环，环的数量随着距 离的增加而减少。 • 声能几乎不扩散，声束宽度接近相等（等于D）。 ⑵ 径向远场分布 波束如图2－6所T