一、超聲波換能器的基本原理

超聲波換能器，運用兩者之間(jiān)諧振頻率同樣的壓電(diàn)陶瓷片的壓電(diàn)效應，将電(diàn)能轉換爲機械振動。一般一般由超聲波發生器形成超聲波，經超聲波換能器把它轉化(huà)成機械振動，再經過超聲波導出來(lái)設備、超聲波接收裝置便能形成超聲波。因此，做爲一種能量轉換器件(jiàn)，超聲波換能器的作用是(shì)把輸入電(diàn)功率轉化(huà)成機械功率（即超聲波）再傳送出來(lái)，并且本身則耗費(fèi)非常少中的一部分(fēn)功率。

超聲波換能器的構造主要(yào)有機殼、聲窗(chuāng)、壓電(diàn)陶瓷圓盤換能器、背襯、引出來(lái)電(diàn)纜、接收器等幾絕大(dà)多(duō)數構成。在其中，壓電(diàn)陶瓷片圓盤換能器具備大(dà)部分(fēn)換能器同樣的功效，主要(yào)運用于發射并接受超聲波；超聲波接收器在壓電(diàn)陶瓷片圓盤換能器的上邊，主要(yào)是(shì)由引出來(lái)電(diàn)纜、換能器、金屬圓環和橡膠墊圈構成，接受壓電(diàn)陶瓷片圓盤換能器頻帶外(wài)所産生的多(duō)普勒回撥信号。

換能器是(shì)一種将能量從(cóng)一種形式轉換爲另一種形式的電(diàn)子設備。将能量從(cóng)一種形式轉換爲另一種形式的過程稱爲轉導。

超聲波換能器将電(diàn)源的電(diàn)輸出轉換爲振動輸出。這(zhè)種機電(diàn)轉換可(kě)以通(tōng)過壓電(diàn)陶瓷（如下圖）或磁緻伸縮材料來(lái)完成。壓電(diàn)陶瓷是(shì)換能器的核心。

傳感器要(yào)求将取決于應用。許多(duō)要(yào)求會(huì)相(xiàng)互沖突，并會(huì)被賦予不(bù)同的優先級。因此，沒有一套指導方針可(kě)以涵蓋所有要(yào)求，有許多(duō)不(bù)同的方法可(kě)以實現(xiàn)相(xiàng)同的目标。

從(cóng)分(fēn)析上講，隻能以一般方式預測換能器性能。這(zhè)是(shì)因爲壓電(diàn)陶瓷的特性通(tōng)常高(gāo)度依賴于工(gōng)作條件(jiàn)，包括溫度、電(diàn)場(chǎng)強度、靜态壓縮預應力、動态應力、負載循環次數和時間(jiān)。這(zhè)些操作條件(jiàn)可(kě)以相(xiàng)互影響，并且這(zhè)些條件(jiàn)的影響通(tōng)常是(shì)非線性的。此外(wài)，壓電(diàn)陶瓷的許多(duō)特性是(shì)正交各向異性的，并且可(kě)以在單個壓電(diàn)陶瓷之間(jiān)以及在壓電(diàn)陶瓷批次之間(jiān)變化(huà)。此外(wài)，在各種部件(jiàn)界面處（例如，在螺紋處）的相(xiàng)互作用可(kě)能難以表征并且用于空氣冷卻的對流傳熱(rè)系數隻能近似地(dì)估計。因此，大(dà)部分(fēn)設計過程都涉及實驗測試。

超聲波換能器工(gōng)作原理

超聲波換能器按功能可(kě)分(fēn)爲發射器、接收器和收發器，如圖1所示。 以換能器工(gōng)作在40 kHz爲例，發射器的諧振頻率（fr）設計在接近工(gōng)作頻率的頻率應用的電(diàn)信号，如圖2所示，以優化(huà)發射效率。相(xiàng)反，将接收器的反諧振頻率（fa）設計爲接近接收的超聲波頻率，如圖3所示，以優化(huà)接收效率。收發器的工(gōng)作頻率設計在收發器的諧振頻率(fr)和反諧振頻率(fa)之間(jiān)，如圖4所示。換能器的工(gōng)作頻率越高(gāo)，分(fēn)辨率越好，但(dàn)時間(jiān)越短(duǎn)探測範圍。

爲了使産生的超聲波有效地(dì)從(cóng)壓電(diàn)陶瓷傳輸到物(wù)體(tǐ)或流體(tǐ)（例如，在空氣或水(shuǐ)中），壓電(diàn)陶瓷與物(wù)體(tǐ)或流體(tǐ)之間(jiān)的聲阻抗必須通(tōng)過聲匹配層進行(xíng)匹配。常見(jiàn)物(wù)質的聲速和聲阻抗特性如下

以超聲波空氣換能器爲例，壓電(diàn)陶瓷的聲阻抗約爲 35 MRayl (106 kg/m2s)，而空氣的聲阻抗低(dī)至 414 Rayl (kg/m2s) 左右。因此，聲匹配層成爲超聲換能器的必要(yào)組成部分(fēn)，置于壓電(diàn)陶瓷與空氣之間(jiān)，使兩者的聲阻抗相(xiàng)匹配，使超聲能量有效傳輸到空氣中。

超聲波空氣換能器匹配層的理想聲阻抗值爲 Rayl，約爲 0.122 MRayl，但(dàn)很(hěn)難找到聲阻抗低(dī)于 1 MRayl 且具有耐用性的材料。目前，常用的聲匹配層材料是(shì)一種由聚合物(wù)基體(tǐ)和中空粉末制(zhì)成的複合材料，以實現(xiàn)較低(dī)的聲阻抗和合理的可(kě)靠性。根據應用，超聲波換能器可(kě)用于一發一收模式或一發一收模式。應該注意的是(shì)，超聲換能器固有地(dì)具有振鈴特性。人(rén)們在設計用于接近測量的超聲波換能器時，振鈴限制(zhì)了最小(xiǎo)檢測距離(lí)。一般采用阻尼層，讓超聲波換能器快(kuài)速恢複到靜止狀态，以減少振鈴。

超聲波換能器的結構

該超聲壓電(diàn)換能器包括外(wài)殼：匹配層或聲窗(chuāng)、壓電(diàn)陶瓷、背襯和出線電(diàn)纜，包括钹陣列接收器，由引出線、8-16個钹換能器、金屬環和橡膠墊圈組成；钹陣列接收器位于碟片壓電(diàn)換能器3上方；以壓電(diàn)陶瓷圓盤換能器作爲基本的超聲波壓電(diàn)換能器，發射和接收超聲波信号；Cymbal陣列接收器位于盤片壓電(diàn)換能器上，作爲超聲波接收器，用于接收盤片換能器頻帶外(wài)的多(duō)普勒回波信号。适用于超聲波設備。

二、超聲波換能器的應用

超聲波換能器具備非常廣泛應用，按應用的行(xíng)業(yè)分(fēn)類，可(kě)以分(fēn)爲工(gōng)業(yè)生産、現(xiàn)代農業(yè)、道(dào)路(lù)運輸、醫(yī)療設備及國(guó)防軍事等；按完成的作用區劃，可(kě)以分(fēn)爲超聲波加工(gōng)、超聲波清洗、超聲波探測、檢測、監測、遙測、遙控等；按工(gōng)作場(chǎng)地(dì)區劃，可(kě)以分(fēn)爲液體(tǐ)、氣體(tǐ)、生物(wù)體(tǐ)等；按特性區劃，可(kě)以分(fēn)爲功率超聲波、檢測超聲波、超聲波顯像等。