超声波换能器的基本原理

超声波换能器的基本原理 压电式换能器:压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。 超声波压电效应 某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化(形变)会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场(电极化)，所产生的电场(电极化强度)与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英(SiO2)晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂(Li2SO4)、铌酸锂(LiNbO3)等等。 2电致伸缩效应 某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效应。 3.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变(当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间)。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-[1]。同样，利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的:施加到磁致伸缩材料上的应变(弹性应力-超声波作用力)将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度发生变化(此即所谓磁弹性效应)，从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波的效果(注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致)。 根据磁致伸缩的变化状态，可以分为: [1]线型磁致伸缩:在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩:在发生应变时，材料的体积也会发生变化。磁致 伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低(不会水解)。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激励电能以用于大功率场合。需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应 的影响会使透入深度受到限制，因此这种磁致伸缩效应所波及的范围仅限于材料表面。在产生超声波时，超声波的强弱取决于材料表层交变磁场的强度，此外，传声介质与材料表面接触的紧密程度(声耦合)也极为重要。常用于磁致伸缩式换能器的材料有金属镍、金属钴、铁钴合金、铁镍合金、镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等。 3.电动式换能器 这是一种把电能转换成机械能，或把机械能转换为电能的装置，其结构如图1.1所示，与膜片相连的圆筒上有细漆包线缠绕的线圈即音圈，该圆筒套在中心磁 导体上。 4.电磁式换能器:这是利用电磁作用力和磁路中磁阻变化而起换能作用的器件. 5.电磁-声换能器(又称涡流-声换能器):利用电动力学法在导电金属中产生超声波的装置. 6.电容式换能器(又称静电换能器).