壓電式換能器原理

壓電效應 　某些單晶材料的結構具有非對稱特性，當這些材料受到外加應力作用而產生應變時，其內部晶格結構的變化（形變）會破壞原來宏觀表現(xiàn)為電中性的狀態(tài)，產生極化電場（電極化），所產生的電場（電極化強度）與應變的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應，它是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。隨后，在1881年又進一步發(fā)現(xiàn)這類單晶材料還具有逆壓電效應，即具有正壓電效應的材料在受到外加電場作用時，會有應力和應變產生，其應變與外電場的大小成正比。 　壓電效應是晶體結構的一個特性，它與晶體結構的非對稱性有關，而壓電效應的大小及性質則與施加的應力或電場對晶體結晶軸的相對方向有關。 　具有壓電效應的單晶材料種類很多，最常用的如天然石英（sio2）晶體，以及人工單晶材料如硫酸鋰（li2so4）、鈮酸鋰（linbo3）等等。

電致伸縮效應 　某些多晶材料中存在有自發(fā)形成的分子集團，即所謂“電疇”，它具有一定的極化，并且沿極化方向的長度往往與其他方向的長度不同。當有外加電場作用時，電疇會發(fā)生轉動，使其極化方向與外加電場方向趨于一致，從而使該材料沿外加電場方向的長度將發(fā)生變化，表現(xiàn)為彈性應變。這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應。 　電致伸縮效應也有逆效應，即具有電致伸縮效應的多晶材料在經受外加應力產生應變時，其總的極化強度將會發(fā)生變化，即表現(xiàn)為電極化（產生電場）。 　因此，電致伸縮效應可以說與電極化現(xiàn)象有關（自極化）。

壓電式換能器的主要特點是電聲轉換效率高，特別是接收靈敏度高，但其機械強度較低（脆性大），因而在大功率應用上受到限制（不過目前的最新技術已能達到數百瓦到上千瓦的聲輻射功率）。此外，某些單晶材料容易溶于水而失效（水解）。

壓電換能器是一般不分正負極的。因為壓電換能器都是交流驅動。但像清洗，焊接換能器，為了方便，一般把跟前后蓋板連接的電極認為是負極。檢測用的換能器，如果是金屬外殼的，一般會把金屬外殼跟壓電換能器其中一級接在一起，當屏蔽用，這個當負極。

內容介紹

《壓電換能器和換能器陣》(修訂版)內容由淺入深，著重闡明壓電換能器和換能器陣的基礎理論，對換能器和換能器陣中所涉及的重要問題作了重點討論，并概述了發(fā)展動態(tài)。全書共十五章，第一章為引言；第二、三、四章為壓電換能器的基礎知識；第五、六、七、八章介紹了幾種常見的典型壓電換能器；第九章介紹壓電換能器的暫態(tài)效應；第十章介紹同種新型換能器；第十一章討論了壓電彈性體的數值分析方法；第十二章介紹了換能器主要參數的測量方法；第十三章為換能器陣的理論基礎；第十四、十五章介紹了均勻和非均勻換能器陣；第十六章簡要介紹了幾種新型換能器陣。

醫(yī)療超聲換能器的種類，可以按照換能器工作時所產生的波束的多少，分為單波束和多波束。少到單個波束，多到256個波束。按換能器陣元的空間排列的維數，又可以分為一維陣(一維線陣，一維凸線陣，一維相控陣)，1.5維，1.75維，或兩維聲學基陣。根據換能器工作頻率的范圍，可以分為低頻，高頻換能器。在醫(yī)療超聲設備中，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，復合材料換能器，微機械加工的電容式換能器，微機械加工的壓電式換能器等。

超聲技術是一種廣泛使用的無損檢測技術，它以聲學理論為基礎，不斷應用于電子、通信、醫(yī)學、生物及物理領域。在現(xiàn)代檢測技術中，利用超聲技術研制的換能器以其靈敏度高、精度高等優(yōu)點正在越來越受到人們的關注。

檢測過程中常用的換能器有: 壓電式換能器、磁致伸縮換能器、電磁聲換能器和激光換能器。最常用的是壓電換能器，它的核心部件就是壓電晶片。壓電晶片可以在壓力的作用下發(fā)生形變，從而導致晶片本身發(fā)生極化，在晶片表面出現(xiàn)正負束縛電荷，此效應為壓電效應。并且，壓電效應具有可逆性，即對晶片施加電壓后會發(fā)生形變。在檢測過程中，利用超聲探頭的逆壓電效應可以產生超聲波，利用壓電效應達到接收超聲波的目的。

壓電陶瓷超聲換能器很早就進入了人們的研究視野，它制作方便，可操控強，靈敏度高，機電耦合性好?；趬弘娞沾砷_發(fā)的換能器包括功率超聲換能器和檢測超聲換能器 。