压电式换能器的原理
换能器技术PPT课件
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，
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
有限元分析软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 科学计算软件 Matlab等，进行数值运计算。 工程制图软件 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换பைடு நூலகம்器 弯张换能器
夹心式压电超声换能器的等效电路设计法
Ｃ Ｃ、２ ｌ ｏＣ 、 分别为 各自 波 声 ：） ｌ 的 数和 速， ＯＣ， ／
ｌ
：ＯＣ ， ｋ：） ２； Ｃ：互／ ， ／ ２ ＯＣ ｌ （ ） ／
１ １
ＣＯ ＝
Ｏ ｐ ， （ ， ｌ 分 ／ ｏ Ｃ ／ Ｅ ４ ） ： 和 别
是
出，即 ：
图 ｌ 换能器模型简化 图
２８
维普资讯
顾晓丹 等：夹心式压电超声换能器的等效电路设 计法
ｃ、 ０ 、 以及 、 Ｃ 、 ２ １分别 是 换 能器 ２ 、 ２
的金 属后 盖板 ，压 电陶 瓷 圆环 及金 属 前 盖板 的密 度 、纵波声速、横截面积和长度； 、ｋ 、ｋ 和 ｏ ２
ＺＪ ＺＪ 埘：０ １＋ ２＋Ｚｌ ｐ ｐ
ｌ ＋ ：Ｒ ｌ ｌ 是压 电陶瓷 晶堆左侧部分 的
ｖ（） ｂｏ￣， 由 （ ｏ ＝ｖｃｓ Ｉ， Ｏ ４） 式 得 ： （ ： Ｏ 负载 阻抗 ，也就 是换 能器 后盖板 的输入 阻抗 。作为一 ）
Ｖ ｏ ｋ１ ，将 （ ）和 （ ）相加 可得 以下 方程 ： ｆｃ ｓ ２ ２ ２ ３
将 各个 部分 的等 效 电路 联接 起来 ，就可 以构成 整
６ｒ ｌ Ｌ — １ 一 Ｊ １ ｌ ＋ Ｉ ｊ
—
Ｚｎ ｒ
一
［ １ ］ ［
Ｖ
ｌ ｃ 丰
Ｉ
ｌ
图 ２ 换 能 器 机 电等 效 电路 图
一
Ｚ 图２ 中ｚ， 和ｚ 是换能器的端负载阻抗， ０ Ｃ为
维普资讯
２心式压 电超声换能器 的等效 电路设计法
顾 晓 丹 刘传 绍 张 昌娟
（ 河南理工大学机械与动力工程学院，焦作，４ ４０ ） ５０３
超声波测量液体浓度设计实验报告
设计性物理实验报告实验题目：超声波测量液体浓度学生姓名：谢勇平学院：交通运输学院学号：11301024首次实验时间：2012.11.27指导老师：滕永平2012年12月11日超声波测量液体浓度——运输1108 谢勇平 11301024一、实验任务：溶液中声波的传播速度与溶剂的浓度有密切的关系，试设计一种超声波声速的测量方法，定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后能够测量出未知溶液的浓度，精度不低于5%。
二、实验要求：1、参阅相关资料，了解超声波换能器的种类，特别是压电式超声波换能器的工 作原理。
2、比较脉冲反射法测量声速和连续波法测量声速的特点。
3、设计连续波测量液体声速的实验方案。
4、制作氯化钠溶液浓度与声速的变化曲线。
三、实验方案：1、物理模型的建立及比较和选择：超声波在不同浓度液体中的传播速度不同，在不同的液体浓度下测量出超声波的传播速度就可以定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后就可以通过测量超声波在某位置浓度液体中的传播速度计算出液体浓度。
故本实验的关键就是测量超声波的传播速度。
1）如果声波在时间t 内传播的距离为s ，则声速为 v st = 。
2）由于声波在时间T （周期）内传播的距离为λ（波长），则v Tf ==λλ3）横波波速：ν=声波传播距离s 用的时间t 不易测量，介质形变的恢复力T 和液体密度ρ也不易测量，故本实验采用模型二，即v Tf ==λλ。
2、实验方法的比较和选择：由v Tf ==λλ知，只要测出频率和波长，便可以求出声速v 。
本实验使用交流电信号控制发生器，故声波频率f 即电信号的频率，它可用频率计测量或信号发生器直接显示，而波长λ的测量常用的是相位比较法和驻波法（共振干涉法）。
方法一：驻波法（共振干涉法）声源产生的一定频率的平面声波，经过空气介质的传播，到达接收器。
声波在发射面和接受面之间被多次反射，故声场是往返声波多次叠加的结果，入射波和反射波相干涉而形成驻波。
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
第七章_岩体声波测试概述
二、换能器的工作原理
岩体声波测试所用的换能器种类很多，主要采用压电式换能器。 压电式加速度计是利用正压电效应制成的机—电转换器。当它承 受机械振动时，其输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电 荷量。与其他振动传感器相比，它具有许多优点，如灵敏度高，频率 范围宽，线性动态范围大，以及重量轻，体积小等。 压电式换能器的结构图及力学模型示于图7.1-1。
1 波形识别 岩块声波速度测试一般采用脉冲超声波法， 能否正确测读声波到达时间，将直接影响到测量 精度，测试工作中应予特别重视。纵波最先到达， 较易识别，但纵波往往能量较小，如信号放大倍 数选择不当，容易引起掉波现象，造成纵波波速 测读不准。而横波是后续波，受到纵波余振及其 他因素的干扰，往往难以准确识别初至波到达时 间，给时间测读带来困难和误差。采用切变振动 和扭转振动模式的专用横波换能器，是测读横波 的一种有效方法。
（a）压电式换能器结构图
（b）力学模型
图7.1-1 压电式换能器及其力学模型
三、波速同介质力学特性参数的关系 岩体不是理想的均质、各向同性介质。但从工 程角度考虑，只要当传播的声波波长与岩体空间尺寸 满足一定条件时，就可以按声波的传播理论得到声波 在岩体中传播速度同岩体力学参数的关系,如式(7.01)～式(7.0-3).
潜艇声纳系统工作原理课件
02
声纳换能器工作原理
压电式换能器
压电式换能器是一种利用压电材 料的特性进行电能与机械能相互
转换的装置。
当收到电信号时，压电材料会变 形，从而产生机械振动，进而产
生声波。
压电式换能器通常用于发射声波 ，将电能转换为声能。
磁致伸缩换能器
磁致伸缩换能器利用磁致伸缩材 料的特性，将电能转换为机械能
。
当收到电信号时，磁致伸缩材料 会变形，从而产生机械振动，进
而产生声波。
磁致伸缩换能器通常用于接收声 波，将声能转换为电能。
电致伸缩换能器
电致伸缩换能器利用电致伸缩材料的特性，将电 能转换为机械能。
技术挑战与解决方案
高频信号处理
由于水下环境的复杂性和多变性 ，潜艇声纳系统在接收和处理高 频信号时面临着许多技术挑战。 为了解决这些问题，可以采取一 些措施，如采用先进的信号处理 算法、优化硬件设计等。
水下噪声抑制
水下噪声是影响潜艇声纳系统性 能的一个重要因素，如何有效抑 制水下噪声成为了一个技术难题 。可以通过采用先进的噪声抑制 算法和优化系统设计来解决这个 问题。
当收到电信号时，电致伸缩材料会变形，从而产 生机械振动，进而产生声波。
电致伸缩换能器通常用于接收声波，将声能转换 为电能。
03
水声信号传播特性
水声传播介质
水是一种良好的水声传播介质，具有 低阻抗、高密度和高透明度等特性。
在一定频率范围内，水的声速和密度 随温度、盐度和压力的变化而变化， 这些变化会影响水声信号的传播和接 收。
采用不同的滤波器对图像 进行平滑处理，以减少噪 声和细节，提高图像的清 晰度。
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种能够产生电荷的陶瓷材料，它的工作原理主要基于压电效应。
压电效应是指当压电材料受到外力作用时，会产生电荷分离，从而产生电压。
这种特殊的性质使得压电陶瓷在许多领域都有重要的应用，比如声波传感器、压力传感器、振动传感器等。
压电效应的基本原理是由皮埃尔·居里兄弟在1880年首次发现的。
他们发现某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种现象被称为压电效应。
后来人们发现，压电效应不仅存在于晶体中，还存在于一些陶瓷材料中，这就是压电陶瓷的起源。
压电陶瓷的工作原理可以通过晶体结构来解释。
压电陶瓷通常是由钛酸钡（BaTiO3）等材料制成的，这些材料具有特殊的晶体结构。
在正常情况下，压电陶瓷的晶体结构是不对称的，即晶格中的正负电荷不平衡。
当外力作用于压电陶瓷时，晶格结构会发生畸变，导致正负电荷重新排列。
这种电荷的重新排列就是压电效应产生的原因。
具体来说，当外力作用于压电陶瓷时，晶格结构会发生压缩或拉伸，导致晶体内部的正负电荷重新分布。
这种电荷的重新分布会导致压电陶瓷的两端产生电压差，从而产生电荷。
这就是压电陶瓷产生电荷的基本原理。
除了外力作用外，压电陶瓷还可以通过其他方式产生电荷。
比如，当压电陶瓷受到声波的作用时，声波的压缩和拉伸也会导致电荷的重新分布，从而产生电压差。
这种特性使得压电陶瓷在声波传感器中有着重要的应用。
除了产生电荷外，压电陶瓷还具有反向的效应，即当外加电压作用于压电陶瓷时，会导致晶格结构的畸变，从而产生机械运动。
这种特性使得压电陶瓷在压电换能器中有着重要的应用，比如压电陶瓷马达、压电陶瓷陶瓷等。
总的来说，压电陶瓷的工作原理主要基于压电效应，即在外力作用下产生电荷分离。
这种特殊的性质使得压电陶瓷在许多领域都有着重要的应用，比如传感器、换能器、陶瓷等。
随着科学技术的不断发展，相信压电陶瓷在未来会有更广泛的应用。
第三章医用超声换能器
第三章医⽤超声换能器第三章医⽤超声换能器应⽤超声波进⾏诊断时，⾸先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使⽤超声换能器可以解决这个问题。
⽬前医学超声设备⼤多采⽤声电换能器来实现超声波的发射与接收。
声电换能器按⼯作原理分为两⼤类，即电场式和磁场式。
电场式中，利⽤电场所产⽣的各种⼒效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它⼜分为压电式、电致伸缩式、电容式。
磁场式中，是借助磁场的⼒效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它⼜分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。
在医学超声⼯程中，使⽤的最多的是压电式超声换能器。
§3.1 压电效应与压电材料特性⼀、压电效应压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。
图3-1 压电效应⽰意图对某些单晶体或多晶体电介质，如⽯英晶体、陶瓷、⾼分⼦聚合材料等，当沿着⼀定⽅向对其施加机械⼒⽽使它变形时，内部就产⽣极化现象，同时在它的两个对应表⾯上便产⽣符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械⼒⼤⼩成⽐例；⽽且当外⼒取消后，电荷也消失，⼜重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。
当作⽤⼒的⽅向改变时，电荷的极性也随着改变。
相反，当在电介质的极化⽅向上施加电场(加电压)作⽤时，这些电介质晶体会在⼀定的晶轴⽅向产⽣机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。
如果在电介质的两⾯外加交变电场时，电介质产⽣压缩及伸张，即产⽣振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产⽣机械波。
如外加交变电场频率⾼于20KHz，则这种波即是超声波。
超声接收换能器采⽤了正压电效应，将来⾃⼈体中的声压转变为电压。
超声波发射换能器采⽤了逆压电效应，将电压转变为声压，并向⼈体发射。
压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，⼜具有逆压电效应。
医学超声设备中，常采⽤同⼀压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时⼯作。
超声波测量液体浓度专题实验报告
一、实验任务：溶液中声波的传播速度与溶剂的浓度有密切的关系，试设计一种超声波声速的测量方法，定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后能够测量出未知溶液的浓度，精度不低于5%。
二、实验要求：1、参阅相关资料，了解超声波换能器的种类，特别是压电式超声波换能器的工 作原理。
2、比较脉冲反射法测量声速和连续波法测量声速的特点。
3、设计连续波测量液体声速的实验方案。
4、制作氯化钠溶液浓度与声速的变化曲线。
三、实验原理：1、物理模型——机械波的产生：首先要有作机械振动的物体（波源），其次要有能够传播这种机械振动的介质，只有通过介质质点间的相互作用，才能够使机械振动由近及远地在介质中向外传播。
发生器是波源，液体是传播声波的介质。
故声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波。
声速是声波在介质中的传播速度。
如果声波在时间t 内传播的距离为s ，则声速为 v st= ，由于声波在时间T （周期）内传播的距离为λ（波长），则v Tf ==λλ ，可见，只要测出频率和波长，便可以求出声速v 。
本实验使用交流电信号控制发生器，故声波频率f 即电信号的频率，它可用频率计测量或信号发生器直接显示，而波长λ的测量常用的是相位比较法和驻波法（共振干涉法）。
2、超声波换能器：⑴压电式换能器工作原理：用做超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层作为电极，称为压电晶片。
当给压电晶片两级施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡，振荡频率与晶片的声速和厚度有关，适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波，即超声波。
在晶片振荡过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，通常称为脉冲波。
超声波被同一压电换能器接收，由于正压电效应，振荡的晶片在两极产生振荡的电压，电压放大后可以用示波器显示。
⑵换能器的种类：纵波波型、横波波型、表面波波型。
四、实验方案：方案一：驻波法（共振干涉法） 1、实验方法：声源产生的一定频率的平面声波，经过空气介质的传播，到达接收器。
超声波换能器原理
超声波换能器原理§1.1 换能器的用途和基本原理一.换能器的广义概念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：把音频电信号转换成可闻声，或者把可闻声转换成音频电信号，实现电能与声能相互转换的电声换能器，如扬声器（喇叭）、耳机、话筒等；实现电能与磁能相互转换的电磁换能器，如通以电流而可以产生磁场力的电磁铁，又如录音磁头可以把音频电信号转换成磁信号而记录到磁带上，或者把磁带上的磁信号转换成音频电信号，然后经放大处理，再由电声换能器转换成可闻声。
实现电能与机械能相互转换的机电换能器，如电动机是输入电流产生磁场力，然后推动电枢转动，而发电机则因电枢转动并通过磁场作用而产生电流。
又如电唱机的拾音头，唱针沿唱片沟纹槽移动而产生音频机械振动并转换输出音频电信号，经放大处理后再由电声换能器转换成可闻声。
实现电能与光能相互转换的光电换能器如白炽灯泡、太阳能蓄电池（光电池）、光电二极管等电激发光器件。
此外，还有实现电能与化学能相互转换的器件，如蓄电池放电时是把化学能转变为电能，而它在充电时则又将电能转换为化学能。
实现电能与热能相互转换的器件就更多了，如电炉、电烤箱、电饭煲、电炒锅、电热杯、电热毯、电热梳、电烙铁、电熨斗等是由电能单向转换为热能的器件，而热电偶则是由热能转换为电能的器件，家用电器中新兴的电磁灶，是由电能激励的磁场作用在金属器皿上形成涡电流而使金属器皿发热，微波炉是由电能激发出微波（电磁能）再进一步使食物发热...总而言之，能够起到转换能量形式的器件种类繁多并且还会不断有新的类型出现，从广义上讲，可以笼统地把它们都称为换能器。
但是，在检测技术中所讲的换能器是有着特定的定义的，也就是本教材所要阐述的换能器。
二.换能器的标准定义在工程检测技术中所讲的换能器，是特指能够从一个系统接收信号而向另一系统输出信号，接收信号与输出信号属于不同的能量形式，但输出信号能表现输入信号某些特征的器件。
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压电式换能器的原理
概述
压电式换能器是一种将机械能转换为电能或将电能转换为机械能的器件，广泛
应用于传感器、声音、振动等领域。
其基本原理是通过压电效应产生电荷来转换能量。
压电效应
压电效应是指某些物质在受到机械应力作用时，会改变其内部电极化程度，从
而产生电荷。
这种物质被称为压电材料。
常见的压电材料有晶体类材料，如石英、石英玻璃、硫酸钾等；陶瓷类材料，
如铅锆酸钛、锆钛酸钡等。
压电式换能器的工作原理
压电式换能器的工作原理基于压电效应。
当压电材料受到机械应力时，压电材
料内部的电极化程度会发生变化，从而导致电荷的产生。
压电式换能器将这种电荷转换为电能或机械能。
例如，当一个压电材料收到一个碰撞，会产生机械振动，从而引起电荷产生。
这些电荷会在压电材料的表面上积累，并通过导线输出。
通过这种方式，压电式换能器将机械能转换为电能。
另一方面，当向压电材料施加电场时，它将会发生畸变，在压电材料的内部造
成压力差，从而引起机械振动。
通过这种方式，压电式换能器将电能转换为机械能。
压电式换能器的应用
压电式换能器广泛应用于各种传感器和振动设备中。
下面列出了几个常见的应用：
1. 声音传感器
压电材料可以转换声波振动进入的机械压力为电荷，从而将声音转换为电信号。
这种原理被应用于各种声音传感器，例如麦克风和扬声器。
2. 振动检测器
压电材料可以感应到机械振动，从而用于各种振动检测器，例如地震测量仪和
机器监测设备。
3. 光学设备
压电材料被应用于各种光学设备，例如光学调制器、光学传感器、光阻开关等。
这种应用利用了压电材料的高精度机械运动和优良的光学特性。
总结
压电式换能器是一种将机械能转换为电能或将电能转换为机械能的器件，其工
作原理基于压电效应。
这种器件在各种传感器和振动设备中得到广泛应用，例如声音传感器、振动检测器和光学设备。