超聲換能器是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，它是超聲技術(shù)的核心部分，被譽(yù)為“工業(yè)之花”。在超聲技術(shù)中，超聲換能器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、航天、軍事等領(lǐng)域。作為功率放大器的一個(gè)主要應(yīng)用方向之一，今天Aigtek就帶大家一起深入了解一下超聲換能器。

　　基本概念

　　超聲換能器，即是諧振于超聲頻率的壓電陶瓷，是利用材料的壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的一種裝置，也就是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其內(nèi)部通常都包含一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。

　　它是由一塊由金屬制成的壓電晶體，或稱之為壓電陶瓷片組成。它在受到電壓作用時(shí)，就會(huì)在壓電晶體上產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)的能量就轉(zhuǎn)化成了電能。

　　當(dāng)換能器用作發(fā)射器時(shí)，從激勵(lì)電源送來的電振蕩信號(hào)將引起換能器中電儲(chǔ)能元件中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化，這種變化通過某種效應(yīng)對(duì)換能器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力，使其進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，從而推動(dòng)與換能器機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)發(fā)生振動(dòng)，向介質(zhì)中輻射聲波。

　　接收聲波的過程正好與此相反，外來聲波作用在換能器的振動(dòng)面上，從而使換能器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，借助某種物理效應(yīng)，引起換能器儲(chǔ)能元件中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起換能器的電輸出端產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于聲信號(hào)的電壓和電流。

　　超聲換能器的分類

　　超聲換能器的種類很多，按其工作原理和特點(diǎn)，大致可分為如下幾類：

　　壓電式超聲換能器：包括陶瓷、石英、壓電陶瓷、壓電晶體、壓電陶瓷-金屬復(fù)合膜等。

　　電容式超聲換能器：包括鐵電薄膜、金屬-絕緣體復(fù)合薄膜等。

　　磁電式超聲換能器：包括鐵磁材料、非鐵磁性材料等。

　　根據(jù)換能器工作頻率的范圍，可以分為低頻，高頻換能器。例如，在醫(yī)療超聲設(shè)備中：

　　低頻換能器可以到500KHz，甚至更低到20KHz，

　　高頻換能器目前則可以到50MHz

　　如果按照換能器制作的材料來區(qū)分，那又可以分為壓電陶瓷換能器，壓電薄膜換能器，壓電厚膜換能器，壓電單晶換能器，復(fù)合材料換能器，微機(jī)械加工的電容式換能器，微機(jī)械加工的壓電式換能器等。

　　超聲換能器性能分析

　　超聲換能器性能的好壞，直接影響超聲加工的質(zhì)量和效率，因此必須對(duì)換能器的性能進(jìn)行全面地了解。

　　1、頻率范圍：工作頻率應(yīng)在超聲波換能器的實(shí)際工作頻率范圍內(nèi)。

　　2、功率因數(shù)是指換能器輸出功率與輸入功率之比。

　　3、效率：效率是指超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，即電能利用程度。

　　4、輸出電壓是指換能器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成超聲信號(hào)的電壓值，即超聲功率。

　　5、噪聲：換能器在工作過程中所產(chǎn)生的噪聲稱為噪聲。

　　超聲換能器主要應(yīng)用

　　1、超聲清洗：超聲波清洗廣泛應(yīng)用于化工、冶金、食品、醫(yī)藥、電子等工業(yè)中，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是：清洗過程不接觸工件，對(duì)工件無損壞，并能除油除銹，除去表面附著物，可對(duì)精密零件進(jìn)行表面處理和除銹。

　　2、超聲焊接：利用超聲波的空化作用，使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生高溫高壓的高溫區(qū)，使其熔合。在焊接過程中產(chǎn)生的高溫高壓可以直接用于焊接熱成型和機(jī)械加工等領(lǐng)域。

　　3、超聲切割：利用超聲振動(dòng)切割金屬材料的斷口和切口表面，可用于切割各種金屬和非金屬材料。

　　4、超聲馬達(dá)

　　超聲波馬達(dá)是把定子作為換能器,利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達(dá)定子處于超聲波頻率的振動(dòng),然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，它廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機(jī)械與儀器、機(jī)器人、醫(yī)學(xué)與生物工程領(lǐng)域。

　　壓電陶瓷變壓器

　　壓電陶瓷變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng),通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)波通過輸入和輸出部分的機(jī)械耦合到輸出部分,輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷,實(shí)現(xiàn)壓電體的電能-機(jī)械能-電能的兩次變換，在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點(diǎn)。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動(dòng)器等。

　　超聲換能器因其體積小,質(zhì)量輕,功率密度高,效率高,耐擊穿,耐高溫,不怕燃燒,無電磁干擾和電磁噪聲,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作等眾多優(yōu)勢(shì)，被看做是電磁變壓器的理想替代件，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、生活、醫(yī)療及軍事等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

　　應(yīng)用案例：電壓放大器在壓電薄膜超聲換能器實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?基于壓電薄膜超聲換能器基本原理，根據(jù)聲頻定向基本理論和具體應(yīng)用場(chǎng)景，通過對(duì)比傳統(tǒng)壓電換能器結(jié)構(gòu)，提出了適用于本課題應(yīng)用需求的多層圓形壓電薄膜結(jié)構(gòu)為陣元結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)特性的理論分析

　　作為國內(nèi)測(cè)試儀器的民族品牌，安泰電子始終走在領(lǐng)域前沿，旗下自主研發(fā)生產(chǎn)的ATA-7030高壓放大器擁有DC-100kHz的帶寬，2kVpp~10kVpp的輸出電壓范圍，20mA~40mA的電流輸出能力，是壓電陶瓷相關(guān)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)研發(fā)測(cè)試的理想選擇。

　　同時(shí)該系列功率放大器，可輸出理想的單端及差分信號(hào)，并設(shè)計(jì)了良好的過壓，過流，短路保護(hù)裝置，同時(shí)為了更好的為超聲換能器測(cè)試客戶應(yīng)用，提供的完善的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，方便用戶選擇對(duì)應(yīng)的匹配阻抗。

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