压电换能器谐振频率
声悬浮实验
实验四十四 声悬浮实验【实验目的】1. 观察声悬浮现象，并利用声悬浮现象测量声速；2. 用驻波法（共振干涉法）和时差法测量声速。
【实验方案】一般地讲，弹性介质中的纵波都被称为声波。
频率在20～20000Hz 之间的声波，能引起人的听觉，称为可闻声波，也简称声波。
频率低于20Hz 的叫做次声波，高于20000Hz 的叫做超声波。
介质中有声波传播时的压力与无声波时的静压力之间有一差额，这一差额称为声压。
声波是疏密波，在稀疏区域，实际压力小于原来的静压力，声压为负值；在稠密区域，实际压力大于原来的静压力，声压为正值。
以p 表示声压，则有)sin(kx t p p m --=ω （1）其中，ω=2π/T ，为声波的角频率；k =2π/λ，为声波的角波数；而声压振幅ωρuA p m = （2）其中ρ为介质密度，u 为声波波速（简称声速），A 为声波振幅，ω为声波角频率。
由（2）式可知，声压的大小由4个物理量来决定。
因为声速的大小仅由声波传播时所经过的介质来决定，所以在传播介质一定的情况下，声压的大小主要取决于声波的振幅和频率。
声强就是声波的强度，即为u p uA I m ρωρ2222121== （3）声悬浮是利用高强度声波产生的声压来平衡重力，从而实现物体悬浮的一种技术。
由于驻波产生的声压远大于行波，所以声悬浮实验普遍采用驻波。
一个最简单的驻波系统可由一个声发射端和一个声反射端构成，即形成一个谐振腔。
发射端到反射端的距离L 是可调的，以满足驻波条件。
如果将声场近似看作平面驻波，则驻波条件为3212，，，==n n L λ ， （4）发射面和反射面是声压的两个波腹，声压波节位于λ/4，3λ/4，5λ/4，…处。
在声压波节处，声辐射力具有回复力的特性，即一旦样品有所偏离，就会被拉回原位置，所以声压波节就是样品的稳定悬浮位置。
因此可以悬浮的样品数应为n 个，且两个样品之间的距离为λ/2。
通常，选择声波的传播方向与重力方向平行，以克服物体的重力。
实验报告——声速的测量
声速测量------------------------------------------------------------------------------------------一、【实验名称】声速的测量二、【实验目的】1.了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解。
2.学会测量空气中的声速。
3.了解声波在空气中的传播速度与气体状态参量之间的关系。
4.学会用逐差法处理实验数据。
三、【实验仪器】示波器、信号发生器和声速仪四、【实验原理】由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v＝λf，只要知道频率和波长就可以求出波速。
本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。
剩下的就是测量声速的波长，这就是本实验的主要任务。
下面介绍两种常用的实验室测量空气中声波波长的方法。
1.相位比较法实验接线如上图所示。
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。
在声波传播方向上，所有质点的振动相位逐一落后，各点的振动相位又随时间变化。
声波波源和接收点存在着相位差，而这相位差则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的相位关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。
示波器相位差φ和角频率ω、传播时间t 之间有如下关系：φ=ω·t ω=2π/T t=l/v λ=Tv代入上式得：φ=2πl/λ当l=nλ/2(n=1,2,3,……）时，可得Φ=nπ由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即Φ＝2π）。
实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。
当相位差改变π时，相应距离l的改变量即为半个波长。
2.驻波法如上图所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。
接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。
用于压电换能器的频率跟踪驱动电路设计
用于压电换能器的频率跟踪驱动电路设计段誉;余厉阳;邹林【摘要】针对新的压电换能器损耗模型理论,设计并实现了跟踪最佳驱动频率的驱动电路.通过测量验证了最佳频率工作点的存在;利用LC滤波电路克服了电流振荡波形引起的干扰;对换能器进行阻抗匹配设计;通过数字锁相电路,结合FPGA多线程工作模式,实现了最佳频率跟踪.实验结果表明:在新的频率跟踪系统下,换能器的发热量降低为原来的一半,相较于定频系统运行更加稳定.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2018(031)009【总页数】6页(P1331-1336)【关键词】频率跟踪;压电换能器;最佳驱动频率;频率偏移【作者】段誉;余厉阳;邹林【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】O426.9现有理论认为压电陶瓷工作于其谐振频率时品质因数最高,因此压电换能器大都工作于谐振频率,驱动电路也常常根据换能器的谐振阻抗来设计,为了系统稳定工作而设计的锁频电路也都锁定在谐振频率。
但是,这一理论忽略了当不同压电损耗因子耦合时损耗会下降的情况。
最近由Shekhani和Uchino根据上述原理完成的实验证明[1-2],压电换能器的最高机械品质频率点出现在谐振频率和反谐振频率之间。
由于最佳驱动频率的高机械品质因数,此时的压电换能器获得了更高的效率,并降低了损耗减小了发热。
但是即使运行在最佳频率下,换能器的发热情况依旧明显,发热导致的频率偏移在固定频率的驱动方式下会导致工作效率大幅下降,因此本文根据这一现象,设计了一套针对最佳驱动频率运行原理的频率跟踪驱动电路。
在本文中,系统使用朗之万(Langevin)型压电换能器作为载体,验证了假设的可行性。
首先,通过恒定振动速度的测量方法测算出最佳驱动频率。
通过不同频率下实际输入功率的大小得出谐振与反谐振频率之间的最低功耗频率。
压电换能器谐振频率 -回复
压电换能器谐振频率-回复什么是压电换能器谐振频率？压电换能器谐振频率指的是压电换能器在特定条件下达到振动的最佳频率。
压电换能器是一种将机械压力转换为电能的装置，常用于传感器、振动器和声波发生器等应用。
谐振频率是指在给定的机械结构和应力条件下，压电换能器可以有效地转换能量的频率。
在压电换能器的设计和应用过程中，了解和理解谐振频率的概念和计算方法是非常重要的。
压电换能器的谐振频率取决于两个主要因素：机械振动结构和材料的特性。
机械振动结构是指压电换能器的物理形状和几何尺寸，对谐振频率的影响非常大。
材料的特性包括其机械刚度和质量密度等参数，也会显著影响谐振频率。
首先，我们需要了解压电换能器的基本结构和工作原理。
压电材料在施加压力或形变的情况下会发生电荷分离，产生电势差。
压电换能器由压电材料和电极组成，当施加机械压力或振动时，压电材料会产生电荷分离并产生电势差，电极捕获并转换这些电荷为电流或电压输出。
其次，谐振频率的计算与压电换能器的物理特性和结构密切相关。
在一维情况下，压电换能器的谐振频率可以通过以下公式计算：f = (1/2π) * √(k/m)其中，f是谐振频率，k是压电材料的机械刚度，m是压电材料的质量。
这个公式假设了压电材料和振动结构的简化模型，仅适用于一维振动系统。
在实际应用中，还需要考虑压电换能器的几何形状、材料的非线性特性和耦合效应，这些因素可以通过数值模拟和实验来进一步优化和研究。
最后，为了实现最佳效果，我们需要通过设计和优化来控制和调节压电换能器的谐振频率。
通常的方法包括调整材料的刚度和密度、改变结构的几何形状和尺寸，以及通过添加质量块或使用补偿电路来改变谐振频率。
通过这些方法，可以使压电换能器尽可能接近特定应用中所需的频率。
在实际应用中，了解和控制压电换能器的谐振频率对于确保设备的最佳性能和能量转换效率至关重要。
通过理论计算、数值模拟和实验验证的综合方法，可以针对不同应用领域对压电换能器的谐振频率进行精确的设计和优化。
夹心式压电换能器最新
后盖板作用：
• 实现换能器的无障板单向辐射，保证能最小限度地从后盖 板表面辐射，从而提高前向辐射功率。一般采用重金属， 如45#钢、铜。形状主要是圆柱型或圆锥型。
• 前后盖板材料选择遵循以下原则： • 1.在工作频率范围内，材料内部机械损耗应尽量小； • 2.机械强度尽量高； • 3.价格低廉，易于加工； • 4.在有一些易于腐蚀的应用场合，还要求材料抗腐蚀能力
• 晶片选机械及介电损耗较低而压电常数和机电转换系数较 高材料，如PZT-4和PZT-8等。
• 压电片的形状和直径、数量、压电片材料和种类主要由工 作频率、工作模式、需要的输出声功率、应用场合来确定 的。换能器输入电功率比较小时，或者换能器处于非连续 工作状态（脉冲工作状态）可采用PZT-4；大功率状态下 工作，又连续长时间工作，应采用PZT-8型。
WarⅠ期间发明了探测水下潜艇的声呐。并因其 结构是“夹心式“，得名夹心式换能器。
• 形状 • 变幅比 • 应力分布 • 幅度分布
变幅器
·郎之万(1872-1946)
• 谐振频率
•
s2
(2
fs )2
K
(M1 M2) M1M 2
• K —压电堆的刚度（Siffness of Piezoelectric stack）
• 为克服这个困难，采用所谓夹心式换能器结构。
结构特点：
1 压电陶瓷圆片的极化方向与振子厚度方向一致。
压电陶瓷圆片或圆环通过高强度胶或应力螺栓与两端的金属块
2 连接在一起。
3 整个振子长度等于基波的半波长。
4
后盖板用密度较高的材料（如钢、铜等）制作，前盖板用轻金属 （如铝合金、镁等）制作。使得声能主要朝向铝盖板方向。
•
K EC Ac Lc
(完整版)水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。
而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。
声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。
在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。
这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。
根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。
以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。
对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。
一般工作频率在100kHz~500kHz。
（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。
拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。
水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。
压电换能器的主要技术参数(V2.2)
上海谐鸣超声设备有限公司谐鸣超声技术支持：电话013681952953（王工）、QQ 2564620565 1压电换能器的主要技术参数压电（超声）换能器的技术参数较多，大致有以下一些：1、灵敏度：指换能器转化能量的效率，高灵敏度表示高的转化效率；2、谐振（工作）频率：指换能器谐振时的频率，谐振时，换能器灵敏度趋于最高，该参数和系统紧密相关；3、指向性：指换能器辐射面各方向角度发射或接收信号的强度变化，一般测试换能器主声轴的一个平行截面，测距、定位、成像时需考虑该指标；4、盲区（余振）：指换能器余振或拖尾的严重程度，即驱动信号结束后，换能器自身惯性振动持续的时间，测距成像类换能器需检测该指标；5、耐温性：指换能器能正常工作的高低温极限；6、耐压力性：指换能器能正常工作的高低压力极限；7、电参数：指换能器本身的阻抗（导纳）、容值、感值等，和系统匹配相关；8、振幅：指换能器在固定驱动电压下的振动幅度，和灵敏度基本类似，利用换能器的动能时需参考该指标；9、电压极限：指换能器可加的最大电压值，大功率超声系统特别需考虑该指标，电压长期超过该值易引起压电陶瓷的退极化；10、密封性：指换能器在液体中的密封性，水下换能器需考虑该指标；11、耐腐蚀性：指换能器对腐蚀性环境抵抗能力，腐蚀性环境下应用需考虑该指标；12、带宽：指换能器灵敏度的平坦程度，或对不同频率信号的兼容程度；13、其他：如重量、体积、外形尺寸、外壳材料、信号引出方式、换能器安装接口类型等。
以上罗列的是换能器主要指标参数，不同的仪器设备、不同的应用环境和场合要求不太一样，有一定的选择性，并不是指标越多、要求越高越好，如有的场合要求指向性越尖越好，而有的场合又希望指向性的开角大些好。
此外，每增加一项考核指标，都会同时增加换能器制造者、使用者的工作量和成本，部分指标会导致换能器制造工作量和成本成倍的增加，这没有必要，只有选择和系统或使用场合相应的指标参数才是合理有效的。
压电陶瓷测量基本知识
压电陶瓷及其测量原理近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
（一）压电陶瓷的主要性能及参数（1）压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。
（2）压电陶瓷的主要参数1 、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图1 所示，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为tan 1CR其中3为交变电场的角频率, R为损耗电阻，C为介质电容。
s R1C1 s L1图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）2、机械品质因数机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大，能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数Q m的定义为:谐振时振子储存的机械能 cQm谐振时振子每周所损失的机械能2兀机械品质因数可根据等效电路计算而得式中R1为等效电阻（Q）, s为串联谐振角频率（Hz ）, C1为振子谐振时的等效电容（F），L1为振子谐振时的等效电感。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
压电换能器谐振频率
压电换能器的谐振频率是指在其固有频率下，换能器产生最大振幅的频率。
这个频率与压电材料的介电常数和机械刚度有关。
在应用中，根据具体需求选择合适的换能器谐振频率，例如在超声波成像中，需要使用合适的谐振频率以获得清晰的成像效果。
要确定压电换能器的谐振频率，可以通过以下方法：
1. 使用阻抗分析仪测试阻抗最大值和阻抗最小值，对应的频率即为谐振频率和反谐振频率。
推荐使用如omicron-lab公司的BODE100阻抗分析仪等设备。
2. 持两个超声转换器（一个是发射，一个是接收）的距离不变，改变信号源的输出频率，观察示波器上的波形变化。
当波形峰峰值最大时，即为谐振频率。
3. 通过驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量超声波的波长，从而计算出谐振频率。
总之，在测量谐振频率时，要确保换能器端面的平行，以及信号发生器的输出信号频率与压电换能器谐振频率保持一致。