超声换能器的原理及设计 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书是一本介绍超声换能器的理论专著，内容涉及有关超声换能器的所有内容，其中许多章节是作者多年来从事科研和教学实践的总结。书中紧紧围绕超声换能器这一内容，对各种类型的超声换能器，从基础知识到理论分析、从设计计算到实际应用以及该领域的**发展进行了详细的论述，条理分明，深入浅出。《BR》　　全书共分12章，第1章是绪论，对超声换能器的基本概念进行了简要的介绍；第2章至第11章对10种不同类型的超声换能器进行了介绍；第12章对超声换能器的电学和声学匹配进行了分析；后给出了相关的参考文献，以供读者查阅。

前言

第1章 绪论

1.1超声换能器简介

1.2超声换能器的主要性能指标

1.3超声换能器的研究方法

第2章 压电超声换能器

2.1压电材料和压电效应

2.2压电陶瓷振子的振动模式

2.3压电陶瓷振子的谐振特性

2.4压电陶瓷振子的动态特性及其集中参数等效电路

2.5压电陶瓷振子的导纳和阻抗特性

2.6压电陶瓷振子的等效电路

第3章 磁致伸缩超声换能器

3.1磁致伸缩材料

3.2磁致伸缩效应

第4章 气介超声换能器

4.1气介式超声换能器的研究现状

4.2气介超声换能器的种类

4.3气介超声换能器的应用

第5章 流体动力型超声换能器

5.1流体动力型发声器的种类

5.2流体动力型发声器的现状和展望

第6章 聚焦超声换能器

6.1超声聚焦系统的基本工作原理

6.2常用的几种超声聚焦系统的声场计算

第7章 夹心式压电陶瓷超声换能器

7.1概论

7.2夹心式压电陶瓷复合换能器的理论分析及设计

第8章 扭转振动超声换能器

8.1切向极化压电陶瓷细长棒的扭转振动

8.2切向极化压电陶瓷薄圆环的扭转振动

8.3切向极化压电陶瓷晶片堆的扭转振动

8.4夹心式压电陶瓷扭转振动换能器的设计理论

第9章 弯曲振动超声换能器

9.1叠片式弯曲振动压电陶瓷换能器

9.2有限宽度矩形板压电陶瓷振子的弯曲振动

9.3夹心式弯曲振动压电陶瓷超声换能器

9.4模式转换型弯曲振动超声换能器

第10章 复合振动模式压电超声换能器

1O.1纵扭复合模式超声振动系统

10.2夹心式纵弯复合模式超声换能器

10.3夹心式扭转弯曲复合模式超声换能器

10.4夹心式模式转换型纵扭复合模式超声换能器

第11章 检测超声换能器

11.1检测超声探头

11.2检测超声换能器的一些基本要求

11.3检测超声换能器的声阻抗匹配以及背衬选择

11.4检测超声换能器的电匹配

第12章 压电超声换能器的电学及声学匹配

12.1压电陶瓷超声换能器的动态特性分析

12.2压电陶瓷超声换能器的电匹配

12.3压电超声换能器的声学匹配

参考文献

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第1章 绪论<BR>　　1.1 超声换能器简介<BR>　　声学是一门古老而又年轻的科学，有关声学以及与其相关物理学科的研究总是处在物理学研究的前列。随着科学技术的发展，声学己经渗透到其他许多自然科学领域，推动了许多边缘学科的产生和发展。现在，近代声学已成为近代物理学中非常活跃的一个分支学科。<BR>　　经典声学的发展主要和乐器振动的研究有关，而乐器的振动促使许多数理学家对物体振动进行研究。困为对物体振动的研究不仅为换能器的理论基础的研究和发展，而且为近代声学的发展提供了极为重要的手段。当19世纪后期经典声学的发展达到顶峰的时候，正是电子学和电声换能器的应用，把研究声学的手段提高到一个崭新的阶段，从而导致了近代声学各个分支的出现和迅速发展。<BR>　　超声学出现于20世纪初期。它是以经典声学理论为基础，同时结合无线电电子学、数字信号处理技术、雷达技术、固体物理、流体物理、生物技术及计算技术等其他领域的成就而发展起来的一门综合性高技术学科，近1个世纪的发展历史表明，超声学是声学发展中最为活跃的一部分，它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用，而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航夭等高技术领域。<BR>　　超声学主要研究超声波在不同介质中的产生、传播、接收、信息处理及有关的效应等问题。超声物理和超声工程是超声学的两个主要方面。超声物理是超声工程的基础，它为各种各样的超声工程应用技术提供必需的理论及实验依据。超声工程的研究内容主要包括各种超声应用技术中超声波产生、传输和接收系统的工程设计及工艺研究。超声换能器是超声工程技术中极其重要的部分之一，是声学换能器中发展最快的一个分支领域。<BR>　　顾名思义，换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。在声学研究领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的相互转换。值得指出的是，这里所说的电声换能器的含义比电声学领域中的扬声器和传声器等所谓的电声换能器的含义要广泛得多。目前，从大到像整幢楼房的水声换能器基阵，到小至可以深人血管的小探针式换能器，各式各样声学换能器的应用己经使声学技术深入到科学研究和工程技术的各个领域。<BR>　　用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接收声波的换能器称为接收器。当换能器处于接收状态时，将声能变成机械能，再转换成电能。在有些情况下换能器既可以用作发射器，又可以用作接收器，即所谓的收发两用型换能器。换能器的工作原理大体是相同的。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声披。接受声波的过程正好与此相反，在接收声波的情况下，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。<BR>　　超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。由于超声波在介质中传播时会产生许多物理、化学及生物等效应，同时因为超声波穿透力强、集束性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用。<BR>　　超声换能器的种类很多。按照能量转换的机理和利用的换能材料，可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器（电容型换能器）、机械型超声换能器等。按照换能器的振动模式，可分为纵向（厚度）振动换能器、剪切振动换能器、扭转振动换能器、弯曲振动换能器、纵-扭复合以及纵-弯复合振动模式换能器等。按照换能器的工作介质，可分为气介超声换能器、液体换能器以及固体换能器等。按照换能器的工作状态，可分为发射型超声换能器、接收型超声换能器和收发两用型超声换能器。按照换能器的输人功率和工作信号，可分为功率超声换能器、检测超声换能器、脉冲信号换能器、调制信号换能器和连续波信号换能器等。按照换能器的形状，可分为棒状换能器、圆盘型换能器、圆柱型换能器、球形换能器等。另外，不同的应用需要不同形式的超声换能器，如平面波超声换能器、球面波超声换能器、柱面波超声换能器、聚焦超声换能器以及阵列超声换能器等。<BR>　　超声换能器是一种能量转换器件，其性能描述与评价需要许多参数。超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质困数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等。不同用途的换能器对性能参数的要求不同，例如，对于发射型超声换能器，要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率;而对于接收型超声换能器，则要求宽的频带和高的灵敏度等。因此，在换能器的具体设计过程中，必须根据具体的应用，对换能器的有关参数进行合理的设计。<BR>　　按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛。<BR>　　压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料的发展为前提条件的。1880年居里兄弟发现了晶体的压电效应，但直到电子管放大器的发明，压电材料的压电效应才真正用于电声转换上来。在第一次世界大战期间，法国物理学家朗之万于1916年研制成功了第一个真正实用的压电换能器，并将其应用于潜艇的探测中。在朗之万发明的换能器中，压电石英片被夹在两块厚钢板中，后来这种换能器被广泛地应用于超声探测仪中。直到现在，朗之万型换能器仍在得到广泛的应用，如功率超声和水声中。同时，由于压电换能器作为高频声源的出现，使得高频声的研究成为现实，而声学的应用也被迅速地扩展，一个重要的声学分支超声学也迅速发展起来，并得到了越来越多的重视。<BR>　　超声技术的迅速发展对压电石英材料的需求急剧增长，于是人们着手寻求新的压电材料。压电陶瓷是一种新的压电材料，它的出现成为另一种换能材料，即磁致伸缩材料的有力竞争对手，并逐渐处于换能材料的统治地位。目前除了压电陶瓷材料以外，压电单晶、压电高聚物以及压电复合材料也在不断发展，它们的出现对于换能器的发展具有重要的作用。<BR>　　如上所述，在众多的超声换能器类型中，压电超声换能器是应用最广的一种压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。压电陶瓷材料是目前超声研究及应用中极为常用的材料。其优点包括：<BR>　　（1）机电转换效率高，一般可达到80%左右；<BR>　　（2）容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、圆柱、矩形以及球形等；<BR>　　（3）通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型、接收型以及收发两周型等；<BR>　　（4）造价低廉，性能较稳定，易于大规模推广应用。<BR>　　压电陶瓷材料的不足之处是脆性大、抗张强度低、大面积元件成型较难以及超薄高频换能器不易加工等。在这一方面，压电薄膜，如PVDF等，则具有压电陶瓷难以比拟的优点。<BR>　　磁致伸缩材料是传统的超声换能器材料，由于其性能稳定，至今仍在一些特殊领域被继续应用。磁致伸缩换能器的优点包括性能稳定、功率容量大及机械强度好等。其不足之处在于换能器的能量转换效率较低、激发电路复杂以及材料的机械加工较困难等。随着压电陶瓷材料的大规模推广应用，在一个时期内磁致伸缩材料有被压电材料替代的迹象。然而，随着一些新型的磁致伸缩材料的出现，如铁氧体、稀土超磁致伸缩材料以及铁磁流体换能器材料等，磁致伸缩换能器又受到了人们的重视。可以预见，随着材料加工工艺的提高以及戚本的降低，一些新型的磁致伸缩材料将在水声以及超声等领域中获得广泛的应用。<BR>　　随着超声技术的发展，气体中的超声技术应用越来越广。气介超声换能器也受到了人们的普遍重视。除了传统的气介超声换能器以外，静电式气介超声换能器由于具有频率高、振动位移大、机械阻抗低、声波的辐射和接收面积大以及灵敏度高等独特优点，因而在气体中的超声检测等技术中获得了广泛的应用。<BR>　　1.2 超声换能器的主要性能指标<BR>　　描述超声换能器的性能指标有工作频率、机电藕合系数、机电转换系数、品质因数、方向特性、发射功率、效率、灵敏度等[21]根据实际用处不同，以及使用场合的不同对不同的换能器性能提出不同的要求，例如对军事上用的换能器与对超声测量仪器上用的换能器所提出的要求不一样，对发射和接收用的换能器所提出的要求也不一样。<BR>　　1.2.1 发射换能器和接收换能器共同要求的性能指标<BR>　　1.2.1.1 工作频率<BR>　　超声换能器的工作频率的选择是很重要的，它不仅直接关系到换能器的频率特性和方向特性，也影响到换能器的发射功率、效率和灵敏度等重要性能指标，换能器的工作频率应该与整个超声设备的工作频率相一致。一般情况下，它是根据对整个超声设备的技术论证针对一定的应用来确定的。<BR>　　通常，发射换能器工作频率就等于它本身的谐振基频，这样可以获得最佳工作状态、取得最大的发射功率和效率。主动式超声换能器处在接收状态下的工作频率是与发射状态下的工作频率近似相等的，而对被动式接收换能器而言它的工作频率是一个较宽的频带，同时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高，以保证换能器有平坦的接收响应。<BR>　　1.2.1.2 换能器的机电转换系教n和机电耦合悉数k<BR>　　超声换能器的机电转换系数，是指在机电转换过程中转换后的力学量（或电学量）与转换前的电学量（或力学量）之比。对于发射换能器对于接收换能器机电转换系数n=力或振速电压或电流应电势或应电流机电转换系数力或振速换能器的机电藕合系数，是描述它在能量转换过程中，能量相互搞合程度的一个物理量，其定义为，对于发射换能器。

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