簡單了解超聲波換能器的作用

超聲波是一種頻率大于20kHz的聲信號，有著穿透深度大、分辨率高、指向性好和無輻射的危害等優點，廣泛應用于醫學影像診斷、無損檢測技術、工業檢測等重點領域。現階段，依托于壓電超聲波換能器仍然是主流的超聲波檢測方式，殊不知受制于大尺寸、窄帶寬、會受電磁干擾等特點，自身在一些特殊領域如強電磁環境、微創手術中體現出很大的限制性。高集成化、高精度、抗電磁干擾的光纖檢測技術為提升這些限制帶來了可能性。光纖超聲換能器做為一種可以實現光信號和超聲信號互相轉換的換能器件，有著超聲發射和超聲探測兩類功能，與傳統的壓電超聲換能器對比，光纖超聲換能器有著更小的尺寸、相對較高的發射聲壓、更大的發射和探測帶寬，及其相對較高的探測靈敏度。因而，依托于光纖的超聲波換能器早已廣泛應用于光聲/超聲成像、無損檢測技術、設備安全檢測等重點領域。為了能讓各個領域的研究人員掌握這一高速發展的超聲波檢測技術，文章具體描述了光纖超聲波換能器技術的不斷發展現況及其新的應用研究成果。首先論述光=纖超聲換能器的基本原理和研究成果；再對依托于光纖超聲換能器的超聲波檢測技術進行講解；從醫學成像、無損檢測技術、局部放電等多個方面介紹光纖超聲波換能器技術的應用醫學影像技術、工業檢測中的應用。

超聲波換能器功能結構

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)，其特征在于它還包括Cymbal陣列接收裝置，它由引出電纜(6)、8～16只Cymbal換能器(7)、金屬圓環(8)、(9)和橡膠墊圈(10) 組成；Cymbal陣列接收裝置位于圓盤式壓電換能器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陣列接收裝置位于圓盤式壓電換能器之上，作為超聲波接收裝置，用于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

影響“超聲波換能器”與電路匹配的因素

是利用壓力材料的壓力特性做成的聲電交換器件，品種比較多，包括壓力陶瓷交換器、壓電復合材料換能器、高分子PVDF換能器、表面波換能器等。其中壓電陶瓷換能器是較早開發的，也是現在應用很廣的換能器類型。換能器的性能在很大程度上影響了檢測超聲波系統的整體性能。測量超聲波系統中的換能器性能的參數主要有兩個。

一個是換能器的靈敏度，另一個是換能器的帶寬。

換能器的靈敏度取決于振動型、換能器材料和機械系統結構。而換能器的帶寬則是換能器的頻率帶寬特性，有功率、聲壓、阻抗、靈敏度等隨頻率變化的帶寬特性。為了適應超聲波應用中換能器負載的變化，靈敏換能器需要一定的帶寬(3dB、6dB或10dB)。對于應用于脈沖信號的換能器是要求寬頻帶，這就是所謂的寬帶換能器。激勵的脈沖信號保證急劇上升，余振也短，遺缽特性的檢測超聲波系統尤為重要。為了使換能器具有較高的靈敏度和較寬的帶寬，那么就必須對換能器進行匹配電路設計。

超聲波換能器磁致伸縮

磁致伸縮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，使用一、二年后效率下降，甚至幾乎喪失電聲轉換能力。鎳片換能器的工藝復雜，價格昂貴，所以很少使用。壓電晶體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。壓電效應將電信號轉換為機械振動。這種換能器電聲轉換，原材料價格便宜，制作方便，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，可用作超聲波清洗，探傷和小功率超聲波加工的換能器。壓電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、及等。