超聲波換能器

超聲波換能器，包括外殼(1)、匹配層即聲窗(2)、壓電陶瓷圓盤換能器(3)、背襯(4)、引出電纜(5)，其特徵在於它還包括Cymbal陣列接收器，它由引出電纜(6)、8～16隻Cymbal換能器(7)、金屬圓環(8)、(9)和橡膠墊圈(10)組成；Cymbal陣列接收器位於圓盤式壓電換能器3之上；壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器，由它發射和接收超聲波信號；Cymbal陣列接收器位於圓盤式壓電換能器之上，作為超聲波接收器，用於接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。

主要適用與超聲波塑料焊接機、超聲波金屬焊接機，超聲波清洗機，氣相機，三氯機等

超聲波清洗機換能器是由鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料製造的夾芯式構件，超聲波清洗機大多採用喇叭型超聲波換能器，通過擴大前蓋板的輻射面，提高耦合和聲輻射效率。施加合適的預應力，換能器在大功率，高振幅的條件下具有良好的機電轉換效率。

20世紀初，電子學的發展使人們能利用某些材料的壓電效應和磁致伸縮效應製成各種機電換能器。1917年，法國物理學家朗之萬用天然壓電石英製成了夾心式超聲波換能器，並用來探查海底的潛艇。隨著軍事和國民經濟各部門中超聲應用的不斷發展，又出現更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型換能器等多種超聲波換能器。

超聲波換能器一般有磁致伸縮換能器和壓電晶體換能器兩類。

屬於磁致伸縮的有鎳片換能器和鐵氧體換能器。

鐵氧體換能器的電聲轉換效率比較低，一般使用一、二年後效率下降，甚至幾乎喪失電聲轉換能力。鎳片換能器的工藝複雜，價格昂貴，所以至今很少使用。

其中最成熟可靠的是以壓電效應實現電能與聲能相互轉換的器件，稱為壓電換能器。由材料的壓電效應將電信號轉換為機械振動。這種換能器電聲轉換效率高，原材料價格便宜，製作方便，也不容易老化。

常用的材料有石英晶體、鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛。石英晶體的伸縮量太小，3000V電壓才產生0.01um以下的變形。鈦酸鋇的壓電效應比石英晶體大20-30倍，但效率和機械強度不如石英晶體。鋯鈦酸鉛具有二者的優點，一般可用作超聲波清洗，探傷和小功率超聲波加工的換能器。

根據不同的設計超聲波換能器的形式主要有：

1.柱型（NTK型）

2.倒喇叭型（必能信型）

3鋼后蓋型

4.中間夾鋁片型

主要適用與超聲波塑料焊接機、超聲波塑料焊接、超聲波金屬焊接機，超聲波清洗機，超聲波聲化學設備等。

1.中央壓電陶瓷元件

2.前後金屬蓋板

3.預應力螺桿

4.電極片

5.絕緣管

這種夾心換能器在負荷變化時產生穩定的超聲波，是獲得功率超聲波驅動源的最基本最主要的方法。

1、超聲波振子受潮，可以用兆歐表檢查與換能器相連接的插頭，檢查絕緣電阻值就可以判斷基本情況，一般要求絕緣電阻大於5兆歐以上。如果達不到這個絕緣電阻值，一般是換能器受潮，可以把換能器整體（不包括噴塑外殼）放進烘箱設定100℃左右烘乾3小時或者使用電吹風去潮至阻值正常為止。

2、換能器振子打火，陶瓷材料碎裂，可以用肉眼和兆歐表結合檢查，一般作為應急處理的措施，可以把個別損壞的振子斷開，不會影響到別的振子正常使用。

振子脫膠，我們的換能器是採用膠結，螺釘緊固雙重保證工藝情況下不會出現這種情況。

不鏽鋼振動面穿孔，換能器滿負荷使用10年會出現振動面穿孔的情況。

VGT系列投入式超聲波震板由震板及超聲波發生器兩部分組成，適用於放置到各種清洗缸內，成為超聲波清洗機，震板尺寸與引線管方向可按要求製作，根據超聲波換能器的朝向可分為底震式、側震式及頂震式三種，以滿足各類物品的清洗。

典型機型：單頻功率可調式超聲波振板

雙頻切換功率可調式超聲波振板

三頻切換功率可調式超聲波振板

超聲發生器：VT模式超垢發生器，輸出功率連續可調

手動選頻：可獨立選擇單頻清洗，達到最佳清洗效率。

自動切換：三頻或雙頻自動周期性清洗工件，對不同顆粒污物“衝擊”性清洗，達到高潔凈度

適用範圍：半導體矽片、光學玻璃、五金件、鐘錶件、眼鏡、珠寶首飾、滌綸過濾芯等

特點：全不鏽鋼結構，耐酸耐鹼，美觀耐用

超聲波震板與超聲波發生器分成兩部分，採用高頻線連接方式，便於使用及保養

安裝布置靈活，根據清洗要求可放置於清洗槽的底面、側面或頂面

超聲波換能器的應用十分廣泛，它按應用的行業分為工業、農業、交通運輸、生活、醫療及軍事等。按實現的功能分為超聲波加工、超聲波清洗、超聲波探測、檢測、監測、遙測、遙控等。按工作環境分為液體、氣體、生物體等；按性質分為功率超聲波、檢測超聲波、超聲波成像等。

壓電陶瓷變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應來實現電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅動，通過逆壓電效應使其產生振動，振動波通過輸入和輸出部分的機械耦合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應產生電荷，實現壓電體的電能-機械能-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。與電磁變壓器相比，這具有體積小，質量輕，功率密度高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁干擾和電磁雜訊，且結構簡單、便於製作、易批量生產，在某些領域成為電磁變壓器的理想替代元件等優點。此類變壓器用於開關轉換器、筆記本電腦、氖燈驅動器等。

超聲波馬達是把定子作為換能器，利用壓電晶體的逆壓電效應讓馬達定子處於超聲波頻率的振動，然後靠定子和轉子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉子轉動。超聲波馬達體積小，力矩大，解析度高，結構簡單，直接驅動，無制動機構，無軸承機構，這些優點有益於裝置的小型化。超聲波馬達廣泛應用於光學儀器、激光、半導體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫學與生物工程領域。

超聲波清洗的機理是利用超聲波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應，對清洗件上的污物產生的機械起剝落作用，同時能促進清洗液與污物發生化學反應，達到清洗物件的目的。超聲波清洗機所用的頻率根據清洗物的大小和目的可選用10～500kHz，一般多為20～50kHz。隨著超聲波換能器頻率的增加，可採用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。在小型化方面，也有採用圓片振子的徑向振動和彎曲振動的。超聲波清洗在各種工業、農業、家用設備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫院和醫學研究等行業得到了越來越廣泛的應用。

超聲波焊接有超聲波金屬焊接和超聲波塑料焊接兩大類。其中超聲波塑料焊接技術已獲得較為普遍的應用。它是利用換能器產生的超聲振動，通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區。由於焊區即兩焊件交界處聲阻大，所以會產生局部高溫使塑料熔化，在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位。另外，還節約了塑料製品昂貴的模具費，縮短了加工時間，提高了生產效率，有經濟、快速和可靠等特點。

把微細磨料隨超聲波加工工具一起以一定靜壓力加在工件上，就能加工出與工具相同的形狀。加工時換能器需在15～40kHz的頻率下，產生15～40微米的振幅。超聲波工具使工件表面的磨料以相當大的衝擊力連續衝擊，破壞超聲輻射部位，使材料破碎而達到去除材料的目的。超聲波加工主要應用於寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超聲波換能器振動時，也可起到提高精度和效率的作用。

利用超聲波換能器的空化效應和微機械振動，將人體表皮下多餘的脂肪細胞破碎、乳化後排出體外，達到減肥、塑形的目的。這是國際上90年代發展起來的一項新技術。義大利的Zocchi首次將超聲去脂用於床，並獲得成功，為整形、美容開創了先河。超聲去脂技術在國內外得以迅速發展。

對植物種子進行適當頻率和強度的超聲波照射，可提高種子的發芽率，降低霉爛率，促進種子的生長，提高植物生長速度。據資料介紹，超聲波可使某些植物種子生長速度提高2～3倍。

利用超聲波換能器接收血管的壓力，當氣囊加壓緊壓血管時，因外加壓力高於血管舒張壓力，超聲波換能器感受不到血管的壓力；而當氣囊逐漸泄氣，超聲波換能器對血管的壓力隨之減小到某一數值時，二者的壓力達到平衡，此時超聲波換能器就能感受到血管的壓力，該壓力即為心臟的收縮壓，通過放大器發出指示信號，給出血壓值。電子血壓計由於取消了聽診器，可減輕醫務人員的勞動強度。

在有毒、放射性等惡劣環境中，人們不能接近工作，需要遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關需要遙控，都可裝上超聲波換能器，通過遠地發射超聲波由裝在需要控制系統上的接收換能器所接收，把聲信號轉變成電信號使開關動作。

現代交通，自動監測車輛的通行和計數以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。如交通監理站安裝一個收發兼用的超聲波換能器及其附屬設備，當車輛通過時就有一個聲脈衝返回，通過計數累計可得到日行車輛的數量。給汽車尾部裝一個收發兩用的換能器，可防止倒車相撞事故發生。在公路上安裝接收型壓電超聲波換能器還可以監測雜訊指數。

超聲波測距裝置又叫聲尺。它是通過收發兩用的換能器，測量脈衝時間間隔。聲尺可測10m以內的距離，精度可達千分之幾。

對於壓力系統，在泄漏處，由於壓力容器的內外壓差造成射流雜訊。這種雜訊頻譜極寬。對於非壓力系統，可在密閉系統內安放一個超聲波源，然後從密閉系統外部接收。一般未泄漏時測到的信號幅度極小或沒有，在泄漏處信號幅度有突然增大的趨勢。氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多种放大，如浮子流量計等。但利用超聲波換能器主要優點是不妨礙流體的流動。

智能機器人要實現在空間自由行走、辨認物體等功能，不僅要用超聲波換能器測距導盲，而且要成像辨識。所以，需要小型的超聲波換能器陣，以實現多種功能，這方面將成為一項重要的研究課題，吸引著眾多的科學家為之奮鬥。