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。

通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。

当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电振荡信号将引起换能器中电储

能元件的电场或磁场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。

接收声波的过程正好与此相反，在接收声波的情况下，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压或电流。

四、超声波换能器的主要性能指标

超声波换能器的性能指标有工作频率、机电耦合系数、机电转换系数、品质因数、方向特性、发射功率、效率、灵敏度等。根据实际用处不同，以及使用场合的差异对不同的换能器性能提出不同的要求。超声波换能器的主要技术指标：

1、工作频率f0

换能器的工作频率选择很重要，它不仅直接关系到换能器的频率特性和方向特性，也影响到换能器的发射功率、效率、灵敏度等重要性能指标，换能器的工作频率应该与整个超声设备的工作频率相一致。大多工作频率选在换能器的机械共振频率附近，因而换能器频率一般指换能器的共振频率或其附近的频率。

2、机电转换系数n和机电耦合系数Kt

超声波换能器的机电转换系数，是指在机电转换过程中转换后的力学量(或

电学量)与转换前的电学量(或力学量)之比。对于发射换能器：

机电转换系数

n力或振动电压或电流

对于接收换能器：

机电转换系数

n应电势或应电流力或振动

超声波换能器的机械能和电磁能相互转换的过程，就是机电耦合过程。机电耦合系数定义为：

Kt存储的机械能量从电源取得的总能量

压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不同。机电耦合系数为无量纲单位。

3、换能器的机械品质因素Qm

Qm

是从电学中应用到机械振动系统中来的一个重要物理量，有三种重要定义方式：

QmRmRm

式中：R为机械谐振频率；m为等效质量，Rm为机械阻力。

Qm0.4343lg12

式中： 1和2表示衰减振动的两次相邻振幅值。

QmRR21

式中：1，2为谐振频率R左、右两边半功率点上的频率值。又称为频带宽度。

由此可见，换能器的机械品质因数Qm与标称带宽f/2密切相关，即与机电耦合系数密切相关，而且与所在介质的辐射阻、换能器结构、材料及损耗密切相关。

4、换能器的方向特性

一个发射或接收声波的换能器，其尺寸和所在介质中的声波波长可相比拟时，它发射的声能是集中在某些方向上的，即具有一定的扩散角，其大小满足：

sin1.221D

式中：为超声波波长(与频率成反比)，D为换能器直径。

所以频率越高，扩散角越小。但是，超声波在传播过程中，散射衰减系数分别与频率的四次方和平方成正比。因此超声波的频率不能太高。

5、换能器的频率特性

所谓频率特性就是换能器的主要参数，如功率、声压、阻抗和灵敏度等随频率变化的特性。超声波换能器在应用中在一定的带宽内获得平坦的阻抗频率特性有很大意义。

6、换能器的阻抗特性

换能器作为一个机电四端网络，它具有一定的特性阻抗和传输常数。由于换能器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配，所以在换能器设计时计算出换能器的等效输入电阻抗是十分重要的。

以上是换能器的一些基本参数。其中一些参数如：机电耦合系数K、机械品质因素、方向特性等是换能器内部压电材料的一些参数，是工艺上的问题。有些参数只要定性的知道是否达标即可。对超声波换能器的设计主要注重对换能器的波形特性、响应频率、阻抗特性等因素的研究。

五、超声波换能器设计

1、选型

由前面对超声波换能器的介绍知道它的种类很多，按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、压电式和电致伸缩式等。

目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛。压电超声换能器，其工作状态为收发两用型的脉冲信号换能器，外形如图1所示：

图1 压电超声换能器

如上所述，在众多的超声换能器类型中，压电超声换能器是应用最广泛的一种。压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换，压电陶瓷材料是目前超声研究及应用中极为常用的材料，其优点包括：

1)机电转换效率高，一般可达到80％左右；

2)容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、圆柱、矩形以及球形等；

3)通过改变成分可以得到具有各种不同性能的换能器，如发射型、接收型以及收发两用型等；

4)造价低廉，性能较稳定，易于大规模推广应用。

在超声领域，压电换能器是应用最广泛的一种声电转换元件，其优点主要在以下几个方面：

1)在高频范围，压电超声换能器能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动发生器，而

其他的换能器，如用于低频振动的电动扬声器等，是很难做到这一点的。

2）结构简单，易于激励。当经过极化以后的压电陶瓷元件被用于换能器以后。换能器的激励将不再需要极化电源，从而简化了压电换能器的激励电路。其他类型的换能器，如磁致伸缩换能器等，由于需要一个直流极化电源，因而使换能器的激励变得复杂。

3)压电换能器易于成型和加工，因而可用于许多不同的应用场合。

压电超声换能器的最简单形式就是一个两面镀有银层的、圆形或方形的压电陶瓷薄片。镀有银层的两面被称为换能器的两个电极。当把定频率和功率的交流信号加到换能器的两个电极之后。压电陶瓷片的厚度将随着交变电场的变化频率而变化，如图2所示。此时，相对于外部介质而言，这一结构就变成了一个产生活塞振动的简单声源。

图2 压电超声换能器工作原理示意图

2、结构

如图3所示是压电换能器探头的基本结构。压电换能器探头由压电晶体、阻尼块、电缆线、接头、保护膜和外壳等组成。

图3 压电换能器探头的基本结构剖视图(直探头)

3、选频

在换能器的具体设计过程中，必须根据具体的应用，对换能器的有关参数进行合理的设计。对于换能器的一些与制作工艺有关的参数，此处不做详细介绍，只是对与系统工作密切相关的换能器工作频率的选择进行必要的说明。不同于应用在超声清洗、乳化、焊接等行业的超声波，对于流量检测使用的超声波换能器，工作频率是相当重要的技术指标，而并非超声波功率。换能器在加工过程中控制压电材料的配比可以得到不同的工作频率，因此我们首先要根据系统要求定出换能器所需的频率。

对用于测速的超声波换能器来说，频率的选择主要是根据被测介质的性质，以减小超声波在该介质中传播时的损耗为目的。对于液体和气体介质来说，声程损耗主要决定于被测介质的粘度系数和热导率系数。超声波的衰减系数表达式如下：

22v3c4112faf2ccpv3

式中：——密度，单位是

Kgm3；

c——超声波在介质中的传播速度，单位为

ms；

——动力粘度，单位是Pas

——热导率，单位为

WmK

Jcv、——定容比热容和定压比热容，单位是KgK

cp由此可见，频率过大时声波的衰减系数会急剧增大，但是频率较小时与系统工作坏境中干扰信号的频率就会比较接近，超声信号难以同干扰信号区别，给后续的信号处理带来困难，因此我们要选择一个使波形承载信息量大，便于提取的频率值。根据相关资料的介绍，用于液体流速测量的超声波频率通常选在MHz级，典型的值为1～1.5MHz。

图4是超声波换能器在工作介质为水时的阻抗特性曲线。

图4 压电陶瓷换能器的阻抗特性试验曲线

由实验曲线图可以看出，对换能器从700KHz到1300KHz扫频时，当f=997KHz时，

Z最小，可见其谐振频率也在这个值附近，即其工作频率为1MHz左右，设计过程中采用了常用的lMHz晶振作为激励源。本系统采用的激发脉冲幅值为3v，频率为1MHz，通过示波器观察，如图5所示，换能器接收波形的幅值达到±600mV，满足设计要求，无需放大便可直接进行处理。

图5 激融脉冲与接收波形图

六、换能器安装管段设计

根据声道布置方式的不同，安装换能器的管段也就应具有不同的结构。下面首先介绍一下两种常用的声道布置方式。一般而言，在流体以管中心线为对称轴沿管中心线平行地流动时，采用如图6所示的直接透过法(简称Z法)测量，可以得到较好的精度，目前国内开发的超声波流量计大多采用这种方式。但是，当流动的方向与管中心线不平行或存在着沿半径方向流动的速度成分W时，在超声波的传播方向会产生WSin的速度成分，这也成了测量中产误差的原因。若超声波热量表对其流量传感器部分的精度要求低于现有超声波流量计的精度，则选用该种方式已经可以满足要求。

平行面测量方式超声流量计如图7所示，这是早期的声速传播方向和流体流动方向一致的U型平面测量方式。它应用于液体小流量的测量，具有如下优点：1)不像传统斜声速传播那样，声波折射角受温度所引起液体中声速变化而改变声波传播距离：2)测量流通截面积全部流速，流速分布畸变影响小，可较精确地测得面平均流速。但这种结构要改动管道的流向，管道布置复杂。

图6 超声波换能器基本配置法(Z式)

图7 U型平行面配置方式示意图

考虑到供热系统的管路直径大小不同，如进入用户的管道直径一般小于25mm，而供热总管的直径就相对较大，于是依据上述两种声道布置方式，设计了两种超声波流量传感器管段。对于公称直径DN≤25mm的管路采用了U型平行面配置方式；对于公称直径DN≥25mm的管路采用了Z式配置方式。U型平行面配置方式结构简单，加工方便，但是流速较大时测量精度明显降低；对于较大口径的测量管路，Z式是最常用的方式，即通常所说的单声道，装置简单，适用于有足够长度的直管道，流速分布为管道对称的场合。