电磁超声换能器的频率特性
超声换能器的定义及工作原理
超声换能器的定义及工作原理超声换能器的定义及工作原理天堂的乌鸦的日志- 网易博客换能器参数是分三种:1.压电陶瓷片参数(可由生产厂商提供)2.小信号测量换能器(书上有介绍方法,目的为匹配和检查换能器的质量)3.大功率测量(实际产品,现很少有做测量的有效方法)换能器测量时包括的参数:F:谐振频率(既阻抗最小时的状态)FS:反谐振频率(阻抗最大时的状态)F1-F2:带宽R:动态电阻(阻抗)C0:静电容(电容表就可测得)C1:动态电容(匹配参数)L1:动态电感(匹配参数)以上数据可以通过阻抗分析仪/HP4139可以测得关键的是动态的参数1、从纯电学角度：它就是个电容，用电阻表量，不通；用电容表量有几百几千PF的容值；2、从纯机械角度：它是个能谐振的弹性东西，振动在它内部有特殊的模式，象二胡的琴弦，但比它要复杂一点，在不同频率下表现出串联谐振和并联谐振特性；3、从电声学角度：它是个转换器，加电压产生体积变化，限制它体积变化，就对限制它的物体产生力；加力在上就产生电压。
这种转换就象我们电源中用的变压器，描述变压器转换的参数是匝变比n，输入Vp输出Vs，则转换用Vp=-nVs表示，变压器两侧的参数都是电压V。
而描述换能器转换的参数是电声转换系数（电声比）Φ，电端参数电流I，声端(或叫机端)参数是声速v，转换用I= -Φv表示。
因为电学网络分析的理论较成熟，所以把力学向电学靠拢，就是说用电学的描述方式（如V、I、R、L、C等）来描述力学的规律。
在等效图的机端，力F相当于电学的电压V，声速v相当于电学的电流I，力阻抗Zm相当于电阻R。
于是在机端一侧，欧姆定律的力学形式为：F= v·Zm；机端侧的Lm、Cm等只做分析和理解用，是虚拟参数，难以实测，但可以通过其它参数的测量推算出来，如果用的到的话。
对物体施力物体就有状态变化的趋势，阻值形态变化的因素就是力阻Zm产生的原因，如损耗、变为动能、弹性势能等其它能量，于是Zm = Rm + j·Xm = Rm + j·（ωM -K/ω）可以这样理解：损耗因素Rm将能量转化为换能器以外的其它能量如热损，这种能量转换是不可逆的；Xm可以理解为象LC等电元件那样存储能量的因素，包括转变为机械动能的ωM 项、产生弹性形变后变成弹性势能的K/ω项，储能这两项只是暂时存储能量，什么时候回收、什么时候它们之间相互转换，不同形、材的换能器就有不同的表现。
超声换能器参数
超声换能器参数超声换能器参数是衡量超声波传感器性能的重要指标，它们影响超声波在不同工业场景下的检测效果。
以下是超声换能器的主要参数：1. 频率：频率是指超声波换能器在一定时间内发射的电磁脉冲次数，以赫兹（Hz）为单位。
频率越高，声速换算值越大，测量精度越高，但响应时间越短，测量距离越短。
2. 相位：相位关系是指被测物反射回的信号与超声传感器发射的信号在某一时刻的相位位置偏离程度，单位为度。
此参数直接影响超声波传感器的测量精度及其安装角度的正确性。
3. 封装：封装是指超声传感器外壳的结构。
封装应满足超声传感器的使用要求，并符合工业使用环境条件，如防水、防潮、耐磨、抗冲击、耐压和重量等。
4. 振幅：振幅是指超声波传感器在发射过程中发出的振动波的一次振幅大小，通常用英寸（Inch）为单位表示。
振幅越大，超声波波形越完整，信号强度越强，但同时耗电也会较大，激光激励条件较严苛，因此振幅不宜过大。
5. 增益：增益是指超声传感器回放回被测物体发出的信号，经过噪声抑制及波形放大处理后，超声传感器读取的一种比值，单位为分贝（dB）。
增益越高，读取信号强度越大，但过高的增益可能导致信号失真。
6. 带宽：带宽是指超声波传感器在某一频率范围内的工作宽度。
7. 动态电阻（阻抗）：动态电阻是超声波传感器在运行过程中的电阻值，影响其能量转换效率。
8. 动态电容（匹配参数）：动态电容是超声波传感器在运行过程中的电容值，影响其匹配性能。
9. 动态电感（匹配参数）：动态电感是超声波传感器在运行过程中的电感值，影响其匹配性能。
这些参数可以通过专业设备进行测量，如阻抗分析仪等。
了解和调整超声换能器参数，有助于优化超声波传感器的性能和应用效果。
超声波换能器的参数及工作方式类型
超声波换能器的参数及工作方式类型超声波换能器是一种能够将电能转换为超声波能量的装置。
它由压电材料组成，通过电场的作用使材料发生压缩和膨胀，从而产生超声波。
本文将从超声波换能器的参数和工作方式类型两个方面对其进行详细介绍。
一、超声波换能器的参数超声波换能器的参数对其性能和应用有着重要影响，主要包括频率、振幅、工作电压和灵敏度等。
1. 频率：超声波换能器的频率通常指的是压电材料的固有频率，即在不加电场的情况下，材料自身振动的频率。
超声波换能器的频率范围很广，从几十千赫兹到几百兆赫兹不等，可以根据具体应用需求选择适当的频率。
2. 振幅：超声波换能器的振幅是指材料在电场刺激下产生的最大机械振幅。
振幅的大小与换能器的尺寸、材料性质和工作电压等因素相关，通常通过调节工作电压来控制振幅的大小。
3. 工作电压：工作电压是指施加在超声波换能器上的电压，通过改变电压的大小和频率可以控制超声波的产生和输出。
工作电压的选择要考虑到换能器的耐受能力和应用需求。
4. 灵敏度：超声波换能器的灵敏度是指它对输入信号的敏感程度。
灵敏度越高，换能器对输入信号的响应越快速、准确。
灵敏度的大小与换能器的材料性质和结构设计等因素密切相关。
二、超声波换能器的工作方式类型根据超声波换能器的工作方式不同，可以将其分为压电式、磁电式和电动力式三种类型。
1. 压电式超声波换能器：压电式超声波换能器是应用最广泛的一种类型。
它利用压电效应将电能转化为机械能，通过电场的作用使压电材料发生压缩和膨胀，从而产生超声波。
压电式超声波换能器具有频率范围广、振幅大、能量转换效率高等优势，被广泛应用于医学成像、无损检测、清洗和声纳等领域。
2. 磁电式超声波换能器：磁电式超声波换能器利用磁电效应将电能转化为机械能。
它通过电磁场的作用使磁电材料发生形变，从而产生超声波。
磁电式超声波换能器具有振幅大、频率稳定等特点，适用于高功率和高频率的应用。
3. 电动力式超声波换能器：电动力式超声波换能器是一种利用电动力效应将电能转化为机械能的装置。
提高声波测井仪器性能的关键——换能器的频率特征
・方法研究・提高声波测井仪器性能的关键———换能器的频率特征许玉俊1沈建国2田素月3吕殿忠3(1东营 胜利石油管理局测井公司) (2天津大学药学院)(3濮阳 中原石油勘探局地球物理测井公司)许玉俊,沈建国,田素月,吕殿忠.提高声波测井仪器性能的关键———换能器的频率特征.石油仪器,2003,17(4):5～7摘 要 常规测井系列中,补偿声波和声波变密度测井仪器是比较重要的仪器,其性能的改进对提高测井技术水平具有重要意义。
文章从裸眼和套管井内传播的声波具有明显的频率选择性出发,讨论声波测井仪器性能的改进问题,并且结合换能器的导纳圆测量结果,给出了具体的提高声波测井仪器性能的方法。
即用导纳圆测量系统测量装在仪器上的换能器的主频和频带宽度,以不同地层的井内能够传播的声波的频率特征为基础选择相应的声波测井换能器或仪器,以保证在裸眼井内测量的波形中首波是以地层的纵波速度传播的,在套管井内,首波是反应固井胶结质量的套管波。
关键词 声波测井 换能器 导纳圆 套管作者介绍 许玉俊工程师,1970年生,1992年毕业于石油大学(华东)应用电子技术专业。
现在胜利石油管理局测井公司研究中心工作,主要从事声波成象、固井质量和剩余油饱和度测井仪器的研究。
邮编:257096引 言生产实际中用的声波测井仪器的频率在10kH z ～20kH z范围内。
其波长大约1/3m～1/6m(声波时差取300μs/m),井内液体的声波波长大约1/6m ～1/12m,与井的半径(0.11m)接近。
这样,声波在井内的传播特征由圆形的井孔决定,以地层纵波速度传播的声波幅度随频率变化比较大[1、2]。
同样,套管井内以套管波速度传播的声波(反映固井胶结质量)幅度也随频率变化。
如果声波测井仪器发射声波的频率偏离能够传播套管波或以地层的纵波速度传播的首波的频率范围,则套管井测量波形中以套管波速度传播的声波幅度比较小,该声幅减小不是固井胶结质量好所导致;裸眼井测量波形中可能没有(或幅度比较小)以地层的纵波速度传播的声波,测量不到地层的纵波时差。
电磁超声换能器的研究与设计
电磁超声换能器的研究与设计摘要：电磁超声换能器(EMAT)是一种基于电磁超声转换技术的新型电声转换器。
同时，它也是一款集超声波发射、接收装置于一体的非接触型换能器。
因为电磁超声波无损技术在进行作业的时候是不需要有介质耦合的，也无需对试件进行准备处理等诸多优点，故其检测时的温度可以高达1000℃，对一般的被探测的工件表面也无需经过特殊处理，可以直接进行无损处理，因此电磁超声换能器广泛的应用在超声无损检测技术领域中。
本研究主要是对电磁超声换能器的工作原理进行研究以及在现有的电磁超声换能器的基础上对其进行优化设计。
结合国内外发表的文献为研究基础，对电磁超声换能器的研究现状进行调查分析，总结电磁超声换能器各参数对其转换效率的影响，针对现有研究中的不足对其进行优化设计。
关键词：毕电磁超声换能器；超声无损检测；调查分析；优化设计一、绪论1.1研究研究背景传统的超声波产生方式主要是通过压电换能器实现的，虽然它的结构设计起来比较简单，换能的效率也比较高，但是在使用的时候经常需要耦合剂作为耦合介质，而且有的时候还需要对试件进行事先的准备处理工作，而且在温度测量技术上存在诸多限制。
随着国内点次声波换能技术的不断进步，为国内超声波无损检测技术的发展指明了道路，人们将利用电磁超声转换技术来弥补传统换能技术中的不足之处。
所说的电磁超声指的是通过洛伦兹力理论和磁力伸缩原理，来达成不用接触就能被激发的新型技术，相对于传统的压电超声换能器其具备以下优点：1）可以轻易的通过改变电磁场的方向和大小，来产生不同需要的各种超声波，例如兰姆波和表面波。
在对待测物体进行测量的时候通过磁电转换产生兰姆波，其产生的兰姆波是通过线扫描的方式对待测物进行大范围的快速高效率的检测，相比较传统的逐点体波扫描方式要方便很多，为测试节省了很多的时间，大大的提高了检测工作的效率，在板材无损检测方面应用特别广泛。
2）可以实现在不需要接触待测物体的前提下对待测物体进行测量，有效的避免了在待测物不方便进行预先处理的问题，也解决了在使用耦合剂时对测量精度存在影响的问题。
超声换能器频率特性及匹配研究
超声换能器频率特性及匹配研究杜鹏;姜楠;宋波【摘要】超声换能器是一种强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗等特性差别很大.在超声换能器的应用中需要对超声换能器进行频率特性分析及阻抗匹配,以达到最高的传输效率和最佳的波形效果.详细分析了超声换能器的频率特性及匹配方式,并对超声换换能器参数进行了测试,根据测试参数设计了阻抗匹配电路.理论分析和实验测试表明,良好的频率及阻抗匹配电路有利于优化超声波发射波形,提高电声转化效率.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2016(040)001【总页数】5页(P41-45)【关键词】超声换能器;频率特性;谐振;匹配电路【作者】杜鹏;姜楠;宋波【作者单位】电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都611731;电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都611731;电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TN929超声波换能器(又称超声波传感器)是一种将电信号与超声信号相互转换的器件，在非接触式测量、加工等领域应用广泛[1]。
超声波换能器应用很广泛，许多应用都已经很相对成熟，但是，对于某些应用还存在诸多关键理论和关键技术有待突破，如信号处理、换能器制作以及功率放大等方面的理论与技术。
在超声波的发射应用中，为了增大超声波的发射功率与发射效率，通常选用放大效率更高的D类或T类功放[2]。
D类或T类功放相较于A类、AB类功放的放大效率得到了极大的提升，但是存在着较大的总谐波失真(THD)。
减小D类、T类功放的THD对超声波发射系统具有及其重要的现实意义。
同时，超声换能器是一种强非线性时变系统，在不同的工作频率下阻抗等特性差别很大。
因此，在超声波应用中需要对超声换能器进行频率特性分析及阻抗匹配，以达到最高的传输效率。
本文详细分析了超声换能器的频率特性及匹配方式，并对超声换换能器参数进行了测试，根据测试参数设计了D类功放驱动下超声换能器的阻抗匹配电路。
超声换能器参数
超声换能器参数全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：超声换能器是一种能够将电能转换成声能的装置，广泛应用于医疗、工业、生产和科研领域。
超声换能器的性能参数是评价其质量和性能的关键指标，不同应用场景中的超声换能器参数也有所不同。
在选择超声换能器时，了解其参数对于正确使用和优化超声技术至关重要。
常见的超声换能器参数包括频率、功率、灵敏度、带宽、直径和焦距等。
不同参数对于超声换能器的性能和应用有着重要的影响。
首先是频率，频率是超声换能器发出声波的振动频率，一般以千赫（kHz）为单位。
不同频率的超声换能器在不同领域有不同的应用，高频率的换能器通常用于精细的医疗成像和治疗，而低频率的换能器则更适合工业应用中的密封、焊接和清洗等操作。
其次是功率，功率是指超声换能器转换电能成声能的能力，通常以瓦（W）为单位。
功率越大的超声换能器通常具有更好的穿透力和清洁效果，适用于处理较大面积或密度较高的材料。
第三是灵敏度，灵敏度是指超声换能器接收声波的能力，一般以毫伏（mV）为单位。
较高的灵敏度可以提高换能器的接收效率，更精确地检测声波信号。
带宽是超声换能器所能接收或发射声波的频率范围，一般以千赫（kHz）为单位。
带宽越宽的超声换能器能够传输更多种类的声波信号，适用于复杂的应用场景。
直径和焦距是超声换能器的物理尺寸参数，直径通常以毫米（mm）为单位，焦距以厘米（cm）为单位。
直径和焦距的大小决定了超声波的聚焦效果和传播范围，不同尺寸的超声换能器适用于不同尺寸和形状的工件处理。
除了以上参数外，超声换能器的耐磨性、防水性、耐高温性、使用寿命等也是需要考虑的重要因素。
在选择和使用超声换能器时，需要根据具体的应用场景和需求来合理选取参数和进行操作。
超声换能器参数是评价超声技朧器性能和质量的重要标准，正确选择和使用超声换能器的参数对于提高工作效率、质量和安全性具有重要意义。
希望以上介绍能为大家选择和使用超声换能器提供一定的参考和帮助。
8 医学超声原理-第八讲---超声换能器
Shanghai Jiao Tong University
Transcranial Doppler (TCD) 经颅超声多普勒 探头
Shanghai Jiao Tong University
What is ultrasound transducer？
Ultrasonic sensors (also known as tranceivers when they both send and receive) work on a principle similar to radar or sonar which evaluate attributes of a target by interpreting the echoes from radio or sound waves respectively. Ultrasonic sensors generate high frequency sound waves and evaluate the echo which is received back by the sensor. Sensors calculate the time interval between sending the signal and receiving the echo to determine the distance to an object.
29university四超声换能器的特性四超声换能器的特性换能器的机电耦合系数是描述它在能量转换过程中能量相互耦合程度的一个物理量其定义为对于发射换能器对于发射换能器对于接收换能器对于接收换能器2315k电磁系统因电效应而获得的交变电磁能机械系统因声场信号作用而储存的交变式机械能2314k机械系统因力效应而获得的交变机械能电磁系统所储存的交变电磁式能shanghaijiaotonguniversity四超声换能器的特性四超声换能器的特性3
超声波换能器参数
超声波换能器参数超声波换能器的参数主要包括以下几个方面：工作频率：这是指超声波换能器的共振频率，通常以千赫兹表示。
工作频率决定了超声波在介质中传播的速度和穿透深度。
一般来说，频率越高，声速换算值越大，测量精度越高，但响应时间越短，测量距离也越短。
工作温度：换能器的工作温度对其性能有很大影响。
在适当的工作温度范围内，声速会随着温度的升高而加快，从而影响声强和压力的变化。
使用电压：这是指加在换能器上的直流电压，对其工作稳定性和输出功率有一定影响。
输出功率：表示单位时间内（或一定距离内）换能器所输出的机械能量。
它与换能器的效率和应用效果密切相关。
灵敏度：指超声换能器输出信号与输入信号的比值，反映了其转换效率。
灵敏度越高，表示换能器对输入信号的响应越好，输出信号越强。
带宽：带宽是指超声波的频率范围。
它决定了超声换能器的分辨率和灵敏度，即换能器能够分辨和检测到的最小信号变化。
带宽越宽，表示换能器能够处理的信号范围越广，分辨率和灵敏度也越高。
相位：被测物的反射回的信号相对于超声传感器发射的信号的相位位置的偏离程度，此参数直接决定了超声波传感器的测量精度以及它的安装角度的正确性。
封装：超声传感器外壳的结构，它对换能器的稳定性和耐用性有很大影响。
振幅：超声波传感器在发射中发出的振动波的一次振幅的大小，振幅越大，超声波波形也就越完整，反映出的信号也就越强，但同时耗电也会比较大，受雷射激励条件也会比较严苛，所以振幅也不宜太大。
以上参数共同决定了超声波换能器的性能和应用效果。
在选择和使用超声波换能器时，需要根据具体的应用需求和场景来综合考虑这些参数。
换能器
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。
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4
图3为根据所测数据绘制的曲线，其中方块（相应连线）表示表面波，五角星（相应连线）表示横波。
图4 为经过16次平均的示波器显示波形，其中每幅图上面部分的为接收信号的时域波形，下面部分的为对时域信号进行fft后的频谱。
图3接收信号与频率关系
图4 a）激励频率为400KHz
图4 b）激励频率为500KHz
图4 c）激励频率为800KHz
观察图4 中的a）、b）、c）三幅图，可知：
1）当激发频率如果和固有频率一致时（500KHz），可以得到幅度最强、频率最单一的信号。
2）当激发频率和固有频率有稍许偏差(不超过20％)时，接收信号的频率是激发频率；
从图3可知:
1)当激发频率在475～525KHz时，表面波信号最强。
2) 当激发频率在850KHz附近时，结合图4 c）可知，表面波幅度变小，波形表现为多个频率分量的叠加。既有固有频率的成分，又有激发频率的成分。
3）当激发频率在850KHz时，横波的幅度有了很大的提高，信号的波形也比较清楚。
4）当激发频率为250KHz时，有一幅度很小的表面波波峰和一幅度较大的横波波峰。
1
超声波探伤是工业领域里应用最广泛的无损检测方法之一。常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂实现与被测件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，难以适用于高温、高速和粗糙表面的检测。
60年代末发现并逐渐发展起来的电磁耦合产生超声波的方法，是一种非接触式的超声波探伤方法。电磁超声换能器，英文名为Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT，是电磁超声检测的核心装置。EMAT具有换能器与媒质表面非接触、无需加入声耦合剂，可免除对工件去油漆等工序，重复性好、检测速度高，适合动态，高温检测等优点，因而日益受到声学和无损检测各方面人员的关注，在火车车轮踏面和钢管等无损检测领域开展了大量研究和应用。这里我们研究了不同激励频率下，EMAT激发的声波形态，以及声波的幅度和频率。
电磁超声换能器的频率特性
申建中张仲宁Байду номын сангаас淑仪
（近代声学国家重点实验室，南京大学声学研究所，南京210093）
Study on the frequency feature ofEMATtransducers
Shen JianZhong,ZhangZhongNing,ZhangShuYi
(Lab of Modern Acoustics,InstituteofAcoustics,NanjingUniversity,Nanjing, 210093,China.)
3
我们设计制作了收发两种EMAT。线圈为蛇形回折如图2所示，根据公式（1），取铁横波的速度V=3240m/s，f=500KHz, ，算得间距D为3.2mm。采用2个脉冲激发。磁铁放置于EMAT的正上方，磁场方向垂直于金属表面，发射和接收EMAT相距8.5cm。实验金属材料为一标准铁试块。厚度为2.5cm。接收EMAT信号经过1000倍的放大器后，接示波器显示。
作者简介：申建中（1975－），男，河南太康人，硕士研究生，光声学
2
如图1所示，EMAT由静态磁场，通有高频大电流的线圈和具有良导体性质的被测材料组成。
图2线圈形状
（1）[1]
图1 EMAT结构示意图
当通有高频大电流的线圈放置在金属物体附近时，金属物体表面产生感应电流。由于静态磁场的存在，与涡流相互作用后产生交变洛仑兹力，作用于金属导体内部的带电粒子上。由于原子核的质量比电子大的多，其位置不容易改变，这样原子核在交变洛仑兹力的作用下产生往复振动，当振动以一定方式传播出去就可产生超声波。相应的，利用该过程的逆效应过程，可以利用EMAT接收超声波。
3) 当激发频率和固有频率有较大偏差（大于60％）时，表面波信号的频率同时包含激励频率和固有频率。时域波形则表现为不同频率信号的叠加。
5
回折线圈型EMAT可以激发出表面波和横波，通过控制激励频率，能够获得期望的声波模式，以进行有针对性的无损探伤等应用。
6
[1] Thompson, R. B., A Model for the Electromagnetic Generation and Detection of Rayleigh and Lamb Waves, IEEE transactions on Sonics and Ultrasonics,Vol.SU-20,NO.4,Octorber1973,341.