超聲換能器是一種將電能轉換為機械能的裝置，它是超聲技術的核心部分，被譽為“工業之花”。在超聲技術中，超聲換能器被廣泛應用于工業、農業、醫藥、食品、航天、軍事等領域。作為功率放大器的一(yi)(yi)個主(zhu)要應用方向(xiang)之(zhi)一(yi)(yi)，今天Aigtek就帶大家一(yi)(yi)起深入了(le)解一(yi)(yi)下超(chao)聲換能器。

　　基本概念

　　超聲換能(neng)(neng)(neng)器，即是諧(xie)振于超聲頻率的(de)(de)壓電(dian)陶瓷(ci)，是利(li)用材料的(de)(de)壓電(dian)效(xiao)應，將電(dian)能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)變成機(ji)械能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)一(yi)種裝置(zhi)，也(ye)就是將電(dian)能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)換成機(ji)械能(neng)(neng)(neng)。其內部(bu)通(tong)常都包(bao)含一(yi)個(ge)(ge)電(dian)的(de)(de)儲能(neng)(neng)(neng)元件和一(yi)個(ge)(ge)機(ji)械振動(dong)系統。

　　它是由一塊由金(jin)屬制成的(de)壓(ya)電(dian)晶體，或稱(cheng)之為(wei)壓(ya)電(dian)陶瓷片組成。它在(zai)受到電(dian)壓(ya)作用時(shi)，就會(hui)在(zai)壓(ya)電(dian)晶體上產生相應的(de)機械振動(dong)，這(zhe)種機械振動(dong)的(de)能(neng)量就轉(zhuan)化成了電(dian)能(neng)。

　　當換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)用作(zuo)發射(she)器(qi)(qi)(qi)(qi)時，從(cong)激勵電(dian)源送來的(de)(de)電(dian)振蕩信號將引起(qi)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)中電(dian)儲能(neng)元(yuan)件中電(dian)場或磁場的(de)(de)變化(hua)，這(zhe)種(zhong)變化(hua)通過某種(zhong)效應對換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)機(ji)械(xie)振動(dong)(dong)系統(tong)產生一個推(tui)動(dong)(dong)力，使其進入振動(dong)(dong)狀態，從(cong)而推(tui)動(dong)(dong)與(yu)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)械(xie)振動(dong)(dong)系統(tong)相接觸的(de)(de)介質發生振動(dong)(dong)，向介質中輻射(she)聲波(bo)。

　　接收聲(sheng)波的(de)過程(cheng)正好與此相反，外來聲(sheng)波作(zuo)用在換(huan)(huan)能器的(de)振動面上，從(cong)而(er)使換(huan)(huan)能器的(de)機械振動系統發(fa)生振動，借(jie)助某種物理效(xiao)應，引(yin)起(qi)換(huan)(huan)能器儲(chu)能元(yuan)件中的(de)電(dian)場或磁場發(fa)生相應的(de)變化，從(cong)而(er)引(yin)起(qi)換(huan)(huan)能器的(de)電(dian)輸出端產生一個相應于聲(sheng)信號(hao)的(de)電(dian)壓和電(dian)流。

　　超(chao)聲換能器的(de)分類(lei)

　　超聲換能器(qi)的種(zhong)類很多，按其(qi)工作原理和特(te)點，大致可分(fen)為如下(xia)幾類：

　　壓(ya)電(dian)式(shi)超聲換能器(qi)：包(bao)括陶(tao)瓷、石英、壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷、壓(ya)電(dian)晶體(ti)、壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷-金屬復合膜等。

　　電(dian)容式超聲換能器(qi)：包括鐵(tie)電(dian)薄(bo)膜(mo)(mo)、金屬-絕緣體復(fu)合薄(bo)膜(mo)(mo)等(deng)。

　　磁(ci)電式超聲(sheng)換能器：包括鐵磁(ci)材料、非鐵磁(ci)性材料等。

　　根據換能器工作頻(pin)率的范圍，可以分(fen)為低頻(pin)，高頻(pin)換能器。例(li)如，在醫療超聲(sheng)設備中：

　　低(di)頻換能器(qi)可(ke)以到500KHz，甚至(zhi)更低(di)到20KHz，

　　高(gao)頻換能器(qi)目前則可以(yi)到(dao)50MHz

　　如果按(an)照換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)制作的材(cai)料(liao)來區分，那又可以分為壓電(dian)陶瓷換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，壓電(dian)薄膜換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，壓電(dian)厚膜換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，壓電(dian)單晶換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，復合(he)材(cai)料(liao)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，微機(ji)械加工的電(dian)容式換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，微機(ji)械加工的壓電(dian)式換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)等。

　　超(chao)聲換(huan)能器性能分析

　　超聲換能(neng)器性能(neng)的好壞，直接影響超聲加工的質量和效率，因此必須(xu)對換能(neng)器的性能(neng)進行全面(mian)地了解。

　　1、頻(pin)率(lv)范(fan)圍：工作頻(pin)率(lv)應在(zai)超聲(sheng)波換能器的實(shi)際工作頻(pin)率(lv)范(fan)圍內。

　　2、功率(lv)因數是指換(huan)能器輸出(chu)功率(lv)與輸入功率(lv)之比。

　　3、效率(lv)：效率(lv)是指(zhi)超聲(sheng)換能器將電(dian)能轉換為(wei)機械能的(de)效率(lv)，即電(dian)能利(li)用程度(du)。

　　4、輸出電壓是(shi)指(zhi)換(huan)能(neng)器將機(ji)械能(neng)轉換(huan)成超(chao)聲(sheng)信號(hao)的電壓值，即超(chao)聲(sheng)功率。

　　5、噪聲(sheng)：換能器在工(gong)作過(guo)程中所產(chan)生的噪聲(sheng)稱為(wei)噪聲(sheng)。

　　超聲(sheng)換能器主(zhu)要應用

　　1、超聲清洗：超聲波清洗廣泛(fan)應(ying)用(yong)于(yu)化(hua)工(gong)(gong)(gong)、冶金、食品(pin)、醫藥、電子(zi)等工(gong)(gong)(gong)業中，其顯(xian)著的優點是：清洗過(guo)程不接觸工(gong)(gong)(gong)件，對工(gong)(gong)(gong)件無損壞，并能(neng)除(chu)油除(chu)銹(xiu)，除(chu)去表(biao)面(mian)附著物(wu)，可對精密零件進(jin)行表(biao)面(mian)處理和除(chu)銹(xiu)。

　　2、超聲(sheng)焊接：利用超聲(sheng)波的(de)(de)空化作用，使金屬材料內部產(chan)生高溫高壓(ya)(ya)的(de)(de)高溫區，使其熔(rong)合。在焊接過程(cheng)中產(chan)生的(de)(de)高溫高壓(ya)(ya)可以直接用于焊接熱成型和(he)機械加(jia)工等領域。

　　3、超聲切(qie)割：利(li)用(yong)(yong)超聲振(zhen)動切(qie)割金屬(shu)(shu)材料的(de)斷口和切(qie)口表面，可(ke)用(yong)(yong)于(yu)切(qie)割各種金屬(shu)(shu)和非金屬(shu)(shu)材料。

　　4、超聲馬達

　　超聲波馬達是把定(ding)子(zi)(zi)作為(wei)換(huan)能(neng)器,利用壓(ya)電晶體的(de)(de)逆壓(ya)電效(xiao)應讓馬達定(ding)子(zi)(zi)處于超聲波頻率的(de)(de)振動(dong),然(ran)后靠定(ding)子(zi)(zi)和轉(zhuan)子(zi)(zi)間的(de)(de)摩擦(ca)力來傳遞能(neng)量,帶動(dong)轉(zhuan)子(zi)(zi)轉(zhuan)動(dong)，它廣泛應用于光(guang)學儀器、激光(guang)、半導體微電子(zi)(zi)工藝、精密機械(xie)與儀器、機器人、醫學與生物(wu)工程(cheng)領域。

　　壓電陶瓷變壓器

　　壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷變壓(ya)(ya)器是利用極化后壓(ya)(ya)電(dian)體的(de)壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應來(lai)實(shi)現(xian)電(dian)壓(ya)(ya)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)的(de)。其(qi)輸(shu)(shu)入(ru)部(bu)(bu)(bu)分用正(zheng)(zheng)弦(xian)電(dian)壓(ya)(ya)信號驅動(dong),通過逆壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應使其(qi)產生振(zhen)動(dong)，振(zhen)動(dong)波(bo)通過輸(shu)(shu)入(ru)和輸(shu)(shu)出(chu)(chu)部(bu)(bu)(bu)分的(de)機(ji)械耦合(he)到輸(shu)(shu)出(chu)(chu)部(bu)(bu)(bu)分,輸(shu)(shu)出(chu)(chu)部(bu)(bu)(bu)分再通過正(zheng)(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)效(xiao)應產生電(dian)荷,實(shi)現(xian)壓(ya)(ya)電(dian)體的(de)電(dian)能-機(ji)械能-電(dian)能的(de)兩次變換，在壓(ya)(ya)電(dian)變壓(ya)(ya)器的(de)諧振(zhen)頻率(lv)下獲得(de)最(zui)高輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)。在某些領(ling)域成為電(dian)磁變壓(ya)(ya)器的(de)理(li)想(xiang)替(ti)代元件等(deng)優(you)點(dian)。此(ci)類變壓(ya)(ya)器用于開(kai)關轉(zhuan)換器、筆記(ji)本電(dian)腦、氖燈驅動(dong)器等(deng)。

　　超(chao)聲換能(neng)器(qi)因(yin)其體積小,質量(liang)輕,功率密度高(gao),效率高(gao),耐(nai)(nai)擊(ji)穿,耐(nai)(nai)高(gao)溫(wen),不怕(pa)燃燒,無電磁干擾(rao)和(he)電磁噪聲,且結構簡(jian)單、便(bian)于制(zhi)作等(deng)眾多優勢，被(bei)看做(zuo)是電磁變(bian)壓器(qi)的(de)理想替代件，在(zai)工業、農業、交通運輸、生(sheng)活、醫療及軍事等(deng)領域有著廣(guang)泛應用(yong)。

　　應用案例：電壓放大器在壓電薄膜超聲換能器實驗中的應用

　　實驗目的:基于壓(ya)電薄(bo)膜(mo)超聲換能(neng)器基本(ben)原理(li)，根據聲頻定向基本(ben)理(li)論和具(ju)體應用(yong)場景，通(tong)過對(dui)比傳統壓(ya)電換能(neng)器結(jie)構(gou)，提(ti)出了適用(yong)于本(ben)課題(ti)應用(yong)需求(qiu)的多層(ceng)圓形壓(ya)電薄(bo)膜(mo)結(jie)構(gou)為陣元結(jie)構(gou)并對(dui)其進(jin)行聲學特性的理(li)論分析(xi)

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　　同時該系列功率放大器(qi)(qi)，可輸出理(li)想的(de)(de)(de)單端及差(cha)分(fen)信號，并設計了良好的(de)(de)(de)過(guo)(guo)壓，過(guo)(guo)流，短路(lu)保護裝置，同時為了更(geng)好的(de)(de)(de)為超(chao)聲換能器(qi)(qi)測試(shi)客戶應用，提供的(de)(de)(de)完善(shan)的(de)(de)(de)阻(zu)抗匹(pi)配(pei)網絡(luo)，方便用戶選擇對應的(de)(de)(de)匹(pi)配(pei)阻(zu)抗。

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