压电超声换能器原理及研究进展
简单了解超声波换能器的作用
简单了解超声波换能器的作⽤超声波换能器是⼀种能把⾼频电能转化为机械能的装置，材料的压电效应将电信号转换为机械振动。
超声波换能器是⼀种能量转换器件，它的功能是将输⼊的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，⽽⾃⾝消耗很少的⼀部分功率。
⼀、超声波换能器的⼯作原理：在总结超声波焊接机换能器的种类之前，我们先来了解⼀下超声波换能器的⼯作原理：超声波换能器是由锆钛酸铅压电陶瓷材料制造的夹芯式构件组成，通常在超声波焊接头处就会有⼀组超声波换能器。
超声波换能器主要功能是实现声能、电能、机械能的能量转换。
⼆、超声波换能器的作⽤：超声波换能器的作⽤主要表现在能量转化上，主要通过超声波换能器把超声波能量集中，然后转化到超声波模具及焊接头上。
三、超声波换能器的种类：超声波换能器的分类⽅式有多种多样，常见的有：1.按照换能器的振动模式，可分为剪切振动换能器、扭转振动换能器、纵向振动换能器、弯曲振动换能器等。
2.按照换能器的⼯作状态，可分为接收型超声换能器、发射型超声换能器和收发两⽤型超声换能器。
3.按照换能器的⼯作介质，可分为液体换能器、固体换能器以及⽓介超声换能器等。
4.按照换能器的输⼊功率和⼯作信号，可分为检测超声换能器、脉冲信号换能器、功率超声换能器、连续波信号换能器、调制信号换能器等。
5.按照换能器的形状，可分为圆柱型换能器、棒状换能器、圆盘型换能器、复合型超声换能器及球形换能器等。
6.按照能量转换的机理和所⽤的换能材料，可分为电磁声换能器、静电换能器、机械型超声换能器、磁致伸缩换能器、压电换能器等。
德召尼克（常州）焊接科技有限公司是⼀家在江苏常州注册的企业，以超声波焊接，振动摩擦焊接，激光塑料焊接应⽤为核⼼，⾮标⾃动化设备研发设计为依托的⾼科技企业。
⽬前公司主要业务领域涉⾜：电声⾏业，汽车⾏业、医疗⾏业，净⽔⾏业等不同领域。
公司秉承以科技为先导、以品质和效益为中⼼、以技术创新为推动⼒，致⼒于为客户提供先进的超声波，振动摩擦，激光等焊接领域的技术开发与研究，主要涉及产品包括：超声波塑料焊接、超声波⾦属焊接、振动摩擦焊接，激光塑料焊接系统、以及相应焊头、模具的设计和制造，⾮标⾃动化系统设备集成。
超声波换能器工作原理
2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。
超声波压电效应
超声波压电效应：原理与应用一、引言超声波压电效应是物理学中的一个重要现象，它揭示了超声波与物质之间相互作用的一种特殊方式。
这种效应源于某些材料在超声波作用下的机械振动会产生电场，从而实现电能与机械能的相互转换。
这一现象在许多领域都有广泛的应用，如医学诊断、环境监测、无损检测以及振动控制等。
本文将详细介绍超声波压电效应的原理、应用以及研究进展。
二、超声波压电效应的原理超声波压电效应，也称为压电性，是指某些晶体或复合材料在受到机械应力作用时，其内部会产生电场，从而产生电能的现象。
这一现象是由法国物理学家Curie兄弟于1880年首次发现的。
当超声波作用于压电材料时，材料的晶体结构会产生机械振动，这种振动会导致材料内部正负电荷的相对位移，从而产生电场。
反过来，这个电场又能产生振动波，这就是超声波的传播。
压电材料的主要类型包括单晶压电材料、多晶压电材料和复合压电材料。
其中，单晶压电材料具有较高的压电系数，但多晶压电材料和复合压电材料在工程应用中更为广泛。
三、超声波压电效应的应用1．医学诊断：利用超声波压电效应可以制造出超声换能器，用于医学诊断。
例如，超声成像技术利用高频超声波穿透人体组织，根据组织密度和性质的差异，接收反射或散射的超声波，从而形成图像。
这有助于医生对疾病进行准确的诊断。
2．环境监测：超声波压电效应还可以用于环境监测，如气体和液体中的污染物检测。
通过在压电材料上施加交变电场，可以激发出超声波，这些超声波遇到障碍物会反射回来，通过分析反射回来的超声波，可以确定障碍物的位置和性质。
3．无损检测：超声波压电效应在无损检测领域也有广泛应用。
例如，在桥梁、建筑等结构的安全检测中，可以通过在结构表面施加交变电场激发出超声波，再接收反射回来的超声波，从而判断结构内部是否存在缺陷。
4．振动控制：利用超声波压电效应可以实现对物体振动的精确控制。
例如，在航空航天领域，通过在飞机或火箭的结构上施加交变电场，可以激发出超声波并控制其传播方向和振幅，从而实现结构的精确振动控制。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理
超声波换能器是一种将电能转化为声能的器件。
其工作原理基于压电效应和逆压电效应。
压电效应指的是当某些晶体在受到外加电压的作用下，会发生形变或产生电荷，这种晶体被称为压电晶体。
例如，一些合成的晶体材料，如钛酸铅（PZT），在受到压力变化时，会在晶
格中产生电荷。
通过将电压施加在压电晶体上，可以引起晶体的形变。
逆压电效应是指压电晶体在受到外力（声波）作用下会发生电荷的变化。
当声波传播到压电晶体上时，晶体会产生变形，从而在晶格中产生电荷。
这个电荷可以被采集和测量。
基于以上原理，超声波换能器通过将电压施加在压电晶体上，引起晶体的形变。
当外界传来声波时，压电晶体会产生电荷的变化。
这个电荷变化可以被测量，从而得到声波的信息。
超声波换能器在超声波成像、声纳、声测、牙科器械等领域广泛应用。
其优势包括频率范围宽、输出功率高、响应速度快等。
超声换能器的原理
超声换能器的原理
超声换能器是一种能够将电能转化为声能的装置。
它由压电材料制成，压电材料的晶粒排列规则，通过外加电场的作用而发生微小的位移。
当外加电场的方向周期性变化时，压电片中的晶粒也会周期性地振动。
这样，压电片就会产生声波，进而将电能转化为声能。
超声换能器的工作原理基于压电效应和反压电效应。
压电效应指的是某些特定的晶体或陶瓷材料在受到力或压力作用下会产生电荷分布不对称，从而生成电压。
反压电效应则是指当这些晶体或陶瓷材料受到外加电压时，会发生形变或位移。
在超声换能器中，应用了压电和反压电效应。
压电片是超声换能器的关键组件，它通常由PZT（铅酸钛锆）陶瓷材料制成。
当外加电压施加到压电片上时，它会引起压电片的厚度发生微小的周期性变化。
这个变化导致了超声波的产生和发射。
同时，当超声波通过压电片时，它也会使压电片发生反压电效应，产生微小的电压信号。
超声波在超声换能器中的传播是由压电片的振动和反压电效应共同完成的。
压电片的振动激发了超声波的产生，并将声波传送到被测物体。
当超声波在物体中传播时，它会遇到不同的介质和物体界面，从而发生折射、反射和散射。
当超声波反射回超声换能器时，它会导致压电片发生反压电效应，产生电压信号。
通过测量这个信号，我们可以获取被测物体的信息，例如距离、形状和物性等。
总之，超声换能器利用压电效应和反压电效应，将电能转化为声能，并实现声能和电能之间的相互转换。
它在医学、工业、军事等领域有着广泛的应用，如超声成像、超声清洗和超声检测等。
超声换能器的原理及设计
超声换能器的原理及设计
超声换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置。
它的设计原理基于压电效应，即在某些晶体材料中，当施加电场时，会产生机械形变，反之，当施加机械压力时，也会在晶体上产生电压。
利用这种特性，超声换能器由一个薄片状的压电材料，通常是陶瓷或聚合物，在两侧分别附着上电极构成。
当电极上施加电压时，压电材料会膨胀和收缩，这种压力或运动会引起周围介质的压缩和稳定的振动。
这些振动将以超声波的形式在介质中传播，从而实现声能到电能的转换。
超声波频率和振幅的调节可以通过改变施加在超声换能器上的电压和电流来实现。
一般来说，频率越高，波长越短，超声波的穿透性能越低，但分辨率越高。
为了提高超声换能器的效率和性能，设计上考虑了很多因素。
首先，需要选择合适的压电材料，其特性应满足应用的要求，包括频率范围、灵敏度和稳定性等。
其次，需要设计适当的结构和尺寸，以实现最佳的转换效率和声束控制。
此外，还需要考虑超声波的耦合和阻抗匹配问题，以确保能量的传递和接收的效果。
总之，超声换能器基于压电效应实现电能到超声波能量的转换。
通过合理的材料选择和设计，可以获得高效、稳定和精确的超声波发射和接收装置。
超声换能器的工作原理
超声换能器的工作原理一、超声换能器概述超声换能器是一种将电能转化为机械振动能的装置，其主要作用是将电信号转化为超声波信号，从而实现超声成像、测量、清洗等应用。
超声换能器广泛应用于医疗、工业、军事等领域。
二、超声换能器的构成超声换能器主要由压电陶瓷和金属壳体组成。
其中，压电陶瓷是超声换能器的核心部件，它可以将电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。
金属壳体则起到保护和固定压电陶瓷的作用。
三、压电效应原理压电效应是指在某些晶体中，当施加外力时会引起晶体内部产生极化现象，从而产生外场。
当施加外场时，则会引起晶体内部的形变或者位移。
这种现象被称为压电效应。
四、压电陶瓷的工作原理1. 压电陶瓷材料的选择目前常用的压电材料主要有PZT（铅酸钛）、PZN（铅锆酸钠）和PMN（铅镁酸钠）等。
其中，PZT是应用最广泛的一种材料。
2. 压电陶瓷的制备压电陶瓷的制备主要包括原料的选择、混合、成型、烧结等过程。
其中，PZT的制备需要严格控制其成分比例和烧结温度等参数。
3. 压电陶瓷的性能压电陶瓷具有良好的压电效应和介电性能，可以将高频电信号转化为机械振动，并且可以将机械振动转化为电信号。
此外，压电陶瓷还具有高稳定性、高灵敏度和高可靠性等特点。
五、超声换能器的工作原理1. 发射模式当超声换能器接收到高频电信号时，压电陶瓷会产生机械振动，并且把这些振动传递到金属壳体上。
随着振动频率的增加，金属壳体就会发出超声波信号。
2. 接收模式当超声波信号经过物体后返回到超声换能器时，金属壳体会将超声波信号转化为机械振动，并且将这些振动传递到压电陶瓷上。
压电陶瓷则会将这些机械振动转化为电信号，从而实现超声波信号的接收。
六、超声换能器的特点1. 高频率超声换能器可以发射和接收高频率的超声波信号，其工作频率一般在1MHz以上。
2. 高灵敏度由于压电陶瓷具有高灵敏度和高稳定性等特点，因此超声换能器具有较高的灵敏度和可靠性。
3. 宽频带超声换能器的工作频带一般比较宽，可以覆盖多种不同的应用场景。
超声换能器的工作原理
超声换能器的工作原理
超声换能器是一种将电能转换为机械能的装置，它的工作原理是利用压电效应将电能转换为机械能，从而实现声波的发射和接收。
超声换能器由压电陶瓷材料和金属电极组成，当外加电场作用于压电陶瓷材料时，会使其发生形变，从而产生声波。
反之，当声波作用于压电陶瓷材料时，会使其发生形变，从而产生电信号。
在超声波的发射过程中，电源会向超声换能器提供一定的电压，使其产生高频振动，从而产生超声波。
超声波的频率通常在1MHz到100MHz之间，具有高频、高能量、高方向性等特点，可以穿透物体并在其内部产生反射，从而实现对物体的检测和成像。
在超声波的接收过程中，超声波会穿过物体并在其内部产生反射，反射波会被超声换能器接收并转换为电信号，电信号经过放大和处理后，可以得到物体内部的信息，如结构、缺陷、密度等。
超声换能器广泛应用于医学、工业、军事等领域，如超声诊断、无损检测、材料分析等。
在医学领域，超声波可以用于检测人体内部的器官、组织和血管等，具有无创、无辐射、安全可靠等优点。
在工业领域，超声波可以用于检测材料的缺陷、厚度、硬度等，具有高效、精准、经济等优点。
超声换能器的工作原理是利用压电效应将电能转换为机械能，从而实现声波的发射和接收。
它具有高频、高能量、高方向性等特点，
广泛应用于医学、工业、军事等领域，为人们的生产和生活带来了巨大的便利和效益。
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2、压电超声换能器应用
压电超声换能器广泛应用于超声加工、超 声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、 遥控，如：压电陶瓷变压器、超声马达、 超声波清洗、超声焊接、超声加工、交 通监测、机器人成像信息采集。
超声马达
超声马达是把定 子作为换能器， 利用压电晶体的 逆压电效应让马 达定子处于超声 频率振动，然后 靠定子和转子间 的摩擦力来传递 能量带动转子转 动
超声马达优点
超声马达体积小， 力矩大，分辨率 高，结构简单， 直接驱动，无制 动机构，无轴承 机构，这些优点 有益于装置的小 型化。
直流电动机原理图
主要是以一片底部环形 定子（Stator）及一片 环形转子（Rotor）组 成，将超声波频率的震 动转变成转动能量。将 交流电加到定子底部的 压电陶瓷部份，便会令 定子产生 0.001mm 幅 度、约 30,000Hz 高频 而微细的震动，从而令 定子顶部与转子接触的 部份产生一种弯曲移动 波弯曲移动。波产生的 磨擦力，足以使转子产 生转动 。
Байду номын сангаас
压电陶瓷变压器原理图
压电陶瓷变压器优点
与电磁变压器相比， 这具有体积小，质量 轻，功率密度高，效 率高，耐击穿，耐高 温，不怕 燃烧，无 电磁干扰和电磁噪声， 且结构简单、便于制 作、易批量生产。
使用压电变压器液晶显示器
用压电陶瓷变压器 制作液晶显示(CCFL) 背光高压电源不仅 克服了传统电磁变 压器工作在高压状 态下所存在的问题， 而且能很好地适应 电子设备小型化、 轻型化、片式化的 发展需要
正压电效应：晶体受到某固定
方向外力的作用时, 在某两个表
面上产生符号相反的电荷的现象
逆压电效应：对晶体施加交变
电场引起晶体机械变形的现象
动力源 （压电马达）
逆
压电器件 声-电信号转换
（压电变压器、 声纳系统） 逆
超声波
（超声清洗、探测）
电声信号压电方程
电声转换模型
压电方程
主要压电换能器材料
1、石英晶体 2、铌酸锂
佳能超声换能马达相机
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。其输 入部分用正弦电压信号 驱动，通过逆压电效应 使其产生振动，振动波 通过输入和输出部分的 机械耦合到输出部分， 输出部分再通过正压电 效应产生电荷，实现压 电体的电能一机械能一 电能的两次变换，在压 电变压器的谐振频率下 获得最高输出电压。
3、压电换能器发展方向及研究进展
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，以及开发新型压电超声材料
微型化
清华大学物理系声学研究室研发出了世界 上最小的超声马达直径只有1mm。利用 这种微型马达可以用来制备微型血管机 器人、微型飞机等
新型压电材料
压电聚合物材料 一些聚合物当电流通过 时会像肌肉般收缩。而且，当对它加上 振动或者弯曲它时就会产生电流。美国 已采用其制备出人工肌肉，同时还可用 来制备人造神经。
单晶
压电换能 器材料
3、罗谢尔盐
4、磷酸二氢钾 1、钛酸钡陶瓷
陶瓷
2、镐钛酸铅陶瓷
3、偏铌酸铅陶瓷 4、铌酸钾钠陶瓷
5、钛酸铅陶瓷
压电超声换能器重要参数
机电耦合系数 电能机械能转换效率系数 介质损耗因子tanθ 有功功率与无功功率比值 机械损耗因子tanθM 损耗机械能与介质存储机械能 频率常数N 机械频率与决定该频率的线性尺寸乘积N=f0* h
压电超声换能器
小组成员：黄瑞湖、李炜、徐华易
主要内容
压电超声换能器原理 压电换能器应用 压电换能器发展方向及研究 进展
课题背景
超声换能器是实现声能与电能相互转换的 部件, 广泛应用于超声加工、超声清洗、 超声探测、检测、监测、遥测、遥控、 成像等
超声水压水雷
超声切割
超声探测
1、压电超声换能器原理