超聲波換能器原理.pdf

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1、§1.1換能器的用途和基本原理一.換能器的廣義概念用于實(shí)現(xiàn)不同形式的能量相互轉(zhuǎn)換的儀器或器件可以通稱為換能器。例如：把音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可聞聲，或者把可聞聲轉(zhuǎn)換成音頻電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的電聲換能器，如揚(yáng)聲器（喇叭）、耳機(jī)、話筒等；實(shí)現(xiàn)電能與磁能相互轉(zhuǎn)換的電磁換能器，如通以電流而可以產(chǎn)生磁場力的電磁鐵，又如錄音磁頭可以把音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁信號(hào)而記錄到磁帶上，或者把磁帶上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成音頻電信號(hào)，然后經(jīng)放大處理，再由電聲換能器轉(zhuǎn)換成可聞聲。實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)電換能器，如電動(dòng)機(jī)是輸入

2、電流產(chǎn)生磁場力，然后推動(dòng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，而發(fā)電機(jī)則因電樞轉(zhuǎn)動(dòng)并通過磁場作用而產(chǎn)生電流。又如電唱機(jī)的拾音頭，唱針沿唱片溝紋槽移動(dòng)而產(chǎn)生音頻機(jī)械振動(dòng)并轉(zhuǎn)換輸出音頻電信號(hào)，經(jīng)放大處理后再由電聲換能器轉(zhuǎn)換成可聞聲。實(shí)現(xiàn)電能與光能相互轉(zhuǎn)換的光電換能器如白熾燈泡、太陽能蓄電池（光電池）、光電二極管等電激發(fā)光器件。此外，還有實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的器件，如蓄電池放電時(shí)是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽诔潆姇r(shí)則又將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。實(shí)現(xiàn)電能與熱能相互轉(zhuǎn)換的器件就更多了，如電爐、電烤箱、電飯煲、電炒鍋、電熱杯、電熱毯、電熱梳

3、、電烙鐵、電熨斗等是由電能單向轉(zhuǎn)換為熱能的器件，而熱電偶則是由熱能轉(zhuǎn)換為電能的器件，家用電器中新興的電磁灶，是由電能激勵(lì)的磁場作用在金屬器皿上形成渦電流而使金屬器皿發(fā)熱，微波爐是由電能激發(fā)出微波（電磁能）再進(jìn)一步使食物發(fā)熱...總而言之，能夠起到轉(zhuǎn)換能量形式的器件種類繁多并且還會(huì)不斷有新的類型出現(xiàn)，從廣義上講，可以籠統(tǒng)地把它們都稱為換能器。但是，在檢測技術(shù)中所講的換能器是有著特定的定義的，也就是本教材所要闡述的換能器。二.換能器的標(biāo)準(zhǔn)定義在工程檢測技術(shù)中所講的換能器，是特指能夠從一個(gè)系統(tǒng)接收信號(hào)而

4、向另一系統(tǒng)輸出信號(hào)，接收信號(hào)與輸出信號(hào)屬于不同的能量形式，但輸出信號(hào)能表現(xiàn)輸入信號(hào)某些特征的器件。因此，作為一個(gè)換能器系統(tǒng)，通常需要包含一個(gè)儲(chǔ)能元件，在它工作時(shí)，儲(chǔ)能元件將一種形式的能量儲(chǔ)存起來并轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，要求換能器能把某種不容易或不便測試與處理的能量轉(zhuǎn)換成另一種容易進(jìn)一步處理或便于測試的能量，從而有可能對(duì)原來的輸入能量進(jìn)行評(píng)定或分析研究。例如測定環(huán)境噪聲用的聲級(jí)計(jì)，它可以把一定程度的環(huán)境噪聲轉(zhuǎn)換成一定大小的電信號(hào)，從而可以進(jìn)一步定量地顯示出環(huán)境噪聲的強(qiáng)度大小。又如

5、利用漏磁特性的無損檢測技術(shù)中應(yīng)用的換能器（探頭），可以把被充磁工件上有缺陷存在處的漏磁通轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)處理后可以顯示缺陷的存在和評(píng)定缺陷的大小。在利用渦流特性的無損檢測技術(shù)中，由儀器產(chǎn)生的交變電流激勵(lì)探頭產(chǎn)生交變磁場，從而在導(dǎo)電工件上感生渦電流（渦流），工件上有缺陷存在處的渦流大小會(huì)發(fā)生變化，使反作用于探頭的磁場發(fā)生變化，由于該磁場的變化將引起探頭中檢測線圈的感應(yīng)電流變化，從而可以根據(jù)這種變化判斷缺陷的存在與大小。在工程檢測技術(shù)中應(yīng)用的換能器種類很多，下面僅就最常用的幾種電聲換能器的基本原理做一

6、簡單介紹。三.常用電聲換能器的基本原理1.壓電式換能器：壓電式換能器利用了某些單晶材料的壓電效應(yīng)和某些多晶材料的電致伸縮效應(yīng)。[1]壓電效應(yīng)某些單晶材料的結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱特性，當(dāng)這些材料受到外加應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的變化（形變）會(huì)破壞原來宏觀表現(xiàn)為電中性的狀態(tài)，產(chǎn)生極化電場（電極化），所產(chǎn)生的電場（電極化強(qiáng)度）與應(yīng)變的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，它是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。隨后，在1881年又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這類單晶材料還具有逆壓電效應(yīng)，即具有正壓電效應(yīng)的材料在受到外加電場作

7、用時(shí)，會(huì)有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生，其應(yīng)變與外電場的大小成正比。壓電效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)特性，它與晶體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性有關(guān)，而壓電效應(yīng)的大小及性質(zhì)則與施加的應(yīng)力或電場對(duì)晶體結(jié)晶軸的相對(duì)方向有關(guān)。具有壓電效應(yīng)的單晶材料種類很多，最常用的如天然石英（SiO）晶體，以及人工單晶材料如硫酸鋰（LiSO）、鈮酸鋰（LiNbO）等等。2243[2]電致伸縮效應(yīng)某些多晶材料中存在有自發(fā)形成的分子集團(tuán)，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(dāng)有外加電場作用時(shí)，電疇會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使其極化

8、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(yīng)變。這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)。1-1電致伸縮效應(yīng)也有逆效應(yīng)，即具有電致伸縮效應(yīng)的多晶材料在經(jīng)受外加應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其總的極化強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生變化，即表現(xiàn)為電極化（產(chǎn)生電場）。因此，電致伸縮效應(yīng)可以說與電極化現(xiàn)象有關(guān)（自極化）。從上述的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的結(jié)果來看，兩者有幾乎相同的表現(xiàn)形式。其中，正壓電效應(yīng)的表現(xiàn)結(jié)果與逆電致伸縮效應(yīng)相當(dāng)，而逆壓電效應(yīng)的表現(xiàn)結(jié)果則與正電致伸縮效應(yīng)相當(dāng)。因此就宏觀上來看，