超声波换能器的概念及主要参数

超声波换能器的概念及主要参数

超声波换能器 (Ultrasonic Transducer)是把别种能源的信号转换成所要求的超声或者信号或者能量的器件。或者反之，把超声波信号或者能量转换成另一种形式的信号或者能量的器件。生活中常见的声学换能器有喇叭，音箱，话筒，哨子，所有的乐器。

超声波换能器有多种类型。按照材料和工艺分，有电声型超声波换能器(包括压电换能器，磁致伸缩换能器，电动式和电磁式换能器，流体动型换能器(包括气流激励的振腔哨，旋涡哨，旋笛，圆板哨及流体喷注激励的簧片哨等)。现在最常用的超声波换能器多以压电换能器为主。按照作用分，有清洗换能器，焊接换能器，雾化换能器，测距换能器，流速流量换能器，通信换能器，干扰换能器，噪声检测换能器，成像换能器等等。

（a）柱形换能器（b）纵向振动换能器 （c ）弯张振动换能器

超声波换能器有几个主要参数，理解掌握超声波换能器的基本应用，要从以下几个参数入手。

1、换能器的等效电路和导纳圆

换能器的阻抗和导纳表达式如下：

上述公式表明：换能器的导纳矢量端是一个圆，此圆称为导圆。如下图所示：

2、换能器的六个谐振频率

串联谐振频率

并联谐振频率

共振频率

反共振频率

最大导纳频率

最小导纳频率

在一般换能器里面，可以把串联谐振频率，共振频率，最大导纳频率看成一个。就是阻抗最小的频率点。

把并联谐振频率，反共振频率，最小导纳频率看成一个频率，就是阻抗最大的点的频率。

3、换能器的阻抗、电容、Q值

换能器的阻抗一般指的是最小阻抗。就是在谐振状态下的等效阻抗，一般可以用阻抗分析仪测试得到。

换能器的电容是自由电容。自由电容 = 静态电容+动态电容。一般可以用万用表测试得到。或者用阻抗分析仪测试得到。

Q值它是表征电或机械系统阻尼大小和谐振曲线尖锐程度的一个度量。 值常用来描述单谐振动系统的瞬态特性。比如用一个正弦填充的脉冲（其频率为振动系统的谐振频率）激励时，欲使脉冲上升到稳态值的96%时，则需要 个周期的时间，而截止时，使脉冲下降到稳态值4%时，也需要 个周期的时间。

4、换能器的发送响应和接收响应

发送响应：在换能器两端加峰峰值是1V的信号，在距离换能器1m距离产生的声压的大小。就是换能器的发送响应。

接收响应：把换能器放在1帕的声压环境，在换能器两端能测试到的电信号的强度。就是换能器的接收响应。

5、换能器的发射角度

换能器和换能器阵的指向性是指其发射响应(电压响应和功率响应)或接收响应(声压灵敏度或功率灵敏度)的幅值随方位角的变化而变化的一种特性。通常，它在某个参考方向有一个极大值。将这种指向性响应按其相对比值画成图，就可以得到指向性响应图。这种图可以绘成二维的，也可以是三维的。一般是二维图。

发射换能器或换能器阵指向性形成的物理原因是发射器各部分所发射声波在自由场远场区中干涉叠加的结果，将辐射面上每一点看作点声源，点声源所产生的声波是没有指向性的球面波，所有这些子波相互叠加，在发射空间的远场便形成了指向性。

对接收换能器或换能器阵指向性形成是由子接收换能器或换能器阵处于声源的远场区，到达接收阵表面上的声波产生的总作用力是各子波干涉叠加的结果，这一总作用力随入射声波线束入射角变化而变化，其开路输出电压也随入射波束入射角变化而变化。

若换能器或换能器阵的各阵元都是互易换能器，可以证明换能器或换能器阵的发射指向性图与接收指向性图是相同的。