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超聲波換能器的原理及設計

發(fā)布日期:2022-02-22

摘  要   超聲換能器是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件 ,它是超聲技術(shù)中的關(guān)鍵器件 ,其性能好壞直接關(guān)系到超聲應用技術(shù)的效果和使用范圍. 由于超聲技術(shù)的應用范圍很廣 ,且超聲新技術(shù)層出不窮 ,因而與此對應的超聲換能器的種類(lèi)也很多. 文章對不同應用背景下多種類(lèi)型超聲換能器的原理及設計進(jìn)行了闡述 ,分析了不同類(lèi)型超聲換能器的性能參數及設計要求 ,簡(jiǎn)要總結了超聲換能器的性能參數測試方法 ,并對超聲換能器的發(fā)展趨勢進(jìn)行了一定的分析.

 1 概述
        1. 1 引言

        超聲技術(shù)出現于 20世紀初期. 它是以經(jīng)典聲學(xué)理論為基礎 ,同時(shí)結合電子學(xué)、材料學(xué)、信號處理技術(shù)、雷達技術(shù)、固體物理、流體物理、生物技術(shù)及計算技術(shù)等其他領(lǐng)域的成就而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性高新技術(shù)學(xué)科. 近一個(gè)世紀的發(fā)展歷史表明 ,超聲學(xué)是聲學(xué)發(fā)展中最為活躍的一部分 ,它不僅在一些傳統的工農業(yè)技術(shù)中獲得廣泛應用 ,而且已經(jīng)滲透到國防、生物、醫學(xué)及航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域.

       超聲學(xué)主要研究超聲波在不同介質(zhì)中的產(chǎn)生、傳播、接收、信息處理及有關(guān)的效應等問(wèn)題. 超聲物理和超聲工程是超聲學(xué)的兩個(gè)主要方面. 超聲物理是超聲工程的基礎 ,它為各種各樣的超聲工程應用技術(shù)提供必需的理論依據及實(shí)驗數據. 超聲工程的研究?jì)热葜饕ǜ鞣N超聲應用技術(shù)中超聲波產(chǎn)生、傳輸和接收系統的工程設計及工藝研究. 超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì )產(chǎn)生許多物理、化學(xué)及生物等效應 ,同時(shí)因為超聲穿透力強、方向性好、信息攜帶量大、易于實(shí)現快速準確的在線(xiàn)檢測和診斷而實(shí)現無(wú)損檢測 ,因而在工業(yè)、農業(yè)、國防、生物醫藥和科學(xué)研究等方面得到廣泛的應用。

        聲學(xué)換能器技術(shù)專(zhuān)題
        超聲換能器是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將聲信號轉換為電信號的能量轉換器件 ,它是超聲設備中的關(guān)鍵器件 ,因而無(wú)論在換能機理還是工藝設計等方都受到了人們的長(cháng)期關(guān)注.

        1. 2 超聲換能器的種類(lèi)

        超聲換能器的種類(lèi)很多. 按照能量轉換的機理和所用的換能材料 ,可分為壓電換能器、磁致伸縮換能器、靜電換能器 (電容型換能器 ) 、電磁聲換能器、機械型超聲換能器等. 按照換能器的振動(dòng)模式 ,可分為縱向 (厚度 )振動(dòng)換能器、剪切振動(dòng)換能器、扭轉振動(dòng)換能器、彎曲振動(dòng)換能器、縱 - 扭復合以及縱 -彎復合振動(dòng)模式換能器等. 按照換能器的工作介質(zhì) ,可分為氣介超聲換能器、液體換能器以及固體換能器等. 按照換能器的工作狀態(tài) ,可分為發(fā)射型超聲換能器、接收型超聲換能器和收發(fā)兩用型超聲換能器.按照換能器的輸入功率和工作信號 ,可分為功率超聲換能器、檢測超聲換能器、脈沖信號換能器、調制信號換能器和連續波信號換能器等. 按照換能器的形狀 ,可分為棒狀換能器、圓盤(pán)型換能器、圓柱型換能器、球形換能器及復合型超聲換能器等. 另外 ,不同的應用需要不同形式的超聲換能器 ,如平面波超聲換能器、球面波超聲換能器、柱面波超聲換能器、聚焦超聲換能器以及陣列超聲換能器等等。

        1. 3 超聲換能器的性能參數
        超聲換能器是一種能量轉換器件 ,其性能描述與評價(jià)需要許多參數. 超聲換能器的特性參數包括共振頻率、頻帶寬度、機電耦合系數、電聲效率、機械品質(zhì)因數、阻抗特性、頻率特性、指向性、發(fā)射及接收靈敏度等等. 不同用途的換能器對性能參數的要求不同 ,例如 ,對于發(fā)射型超聲換能器 ,要求換能器有大的輸出功率和高的能量轉換效率 ;而對于接收型超聲換能器 ,則要求寬的頻帶和高的靈敏度及分辨率等. 因此 ,在換能器的具體設計過(guò)程中 ,必須根據具體的應用 ,對換能器的有關(guān)參數進(jìn)行合理的設計。

        1. 4 超聲換能器的分析方法
        超聲換能器包含了電路系統、機械振動(dòng)系統和聲學(xué)系統 ,并且三者在換能器工作時(shí) ,有機地結合在一起成為一個(gè)統一的整體. 這樣就決定了對它的研究方法是融合了電子學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等諸方面的研究方法 ,并且通過(guò)電 - 力 - 聲類(lèi)比 ,使三者能夠用統一的等效機電圖和等效方程式 ,方便地進(jìn)行對其深入的研究。

        為了確定換能器的工作狀態(tài) ,必須求出它的機械振動(dòng)系統的狀態(tài)方程式和電路系統狀態(tài)方程式.換能器機械系統的狀態(tài)方程式 (簡(jiǎn)稱(chēng)為機械振動(dòng)方程 )是換能器處于工作狀態(tài)時(shí) ,描寫(xiě)它的機械振動(dòng)系統的力與振速的關(guān)系式 ,而電路系統的狀態(tài)方程式 (簡(jiǎn)稱(chēng)電路狀態(tài)方程式 )是描寫(xiě)電路系統的振動(dòng)特性的. 由于換能器的機械系統和電路系統是互相耦合的 ,所以機械系統的振動(dòng)會(huì )影響到電路的平衡 ,而電路的變化也會(huì )影響到機械系統的振動(dòng) ,因此我們總是利用這些方程組分析、討論換能器的工作特性。

        由上述換能器的三組基本關(guān)系式 ,可以對應地作出換能器三種形式的等效圖. 第一種是等效機械圖 ,將換能器等效為一個(gè)純機械系統的等效圖 ;第二種是把機械一邊的元件和參量 ,通過(guò)機電轉換化為電路一邊的元件和參量 ,即把一個(gè)換能器等效為一個(gè)純電路系統 ,稱(chēng)此為等效電路圖 ;第三種稱(chēng)為等效機電圖 ,同時(shí)包含電路一邊和機械一邊的等效圖. 利用這些等效圖可以簡(jiǎn)便地求出換能器的若干重要的性能指標。
       另外 ,隨著(zhù)數值計算技術(shù)的發(fā)展以及新型換能器的研發(fā) ,數值計算方法在換能器的分析中獲得了廣泛的應用. 在超聲換能器的設計過(guò)程中 ,有限元計算方法得到了青睞 ,其中最普遍的商用軟件就是ANSYS. 其中與換能器設計有關(guān)的問(wèn)題主要是結構分析、壓電耦合分析、流體 - 結構耦合分析 ,有時(shí)還要用到電磁場(chǎng)分析、熱分析等. 用 ANSYS設計分析換能器的突出優(yōu)點(diǎn)是不受換能器結構及尺寸的限制 ,可進(jìn)行復雜結構換能器的設計. 利用有限元軟件進(jìn)行換能器的設計能方便地計算出換能器的諧振頻率 ,觀(guān)察諧振時(shí)換能器各部分的位移分布 ,得到換能器的導納曲線(xiàn)、發(fā)射接收的頻率響應曲線(xiàn)和指向性圖 ,還可進(jìn)行換能器的結構優(yōu)化。

        2 功率超聲換能器
        在功率超聲領(lǐng)域 ,聲能的產(chǎn)生主要通過(guò)三種方法 ,即流體動(dòng)力法、壓電效應法以及磁致伸縮效應法 [ 1—9 ] . 流體動(dòng)力型超聲發(fā)生器包括氣流聲源和液體動(dòng)力聲源兩種. 氣流聲源是一種機械式的聲頻或超聲頻振動(dòng)發(fā)聲器 ,它依靠氣流的動(dòng)能作為振動(dòng)能量的來(lái)源 ,可分為低壓與高壓聲源兩種. 低壓聲源也稱(chēng)為哨 ,如通常的哨子及旋渦哨等. 高壓聲源包括哈特曼哨及其各種變異體等. 低壓氣流聲源的效率較高 ,可達 30%左右 ,但聲功率不高 ,通常不超過(guò)數瓦. 高壓聲源的效率較低 ,但可獲得較大的聲功率。

        流體 (液體 )動(dòng)力發(fā)生器聲源是將液態(tài)流體中的渦流能量轉換成聲波輻射的一種聲波換能器. 它的工作原理是利用由噴嘴出來(lái)的射流與一定幾何形狀的障礙物 (腔體 )的相互作用 ,或者利用周期性地強迫射流中斷的方法使液體媒質(zhì)發(fā)生擾動(dòng) ,從而產(chǎn)生某種形式的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng). 流體動(dòng)力發(fā)聲器能在相當寬的頻帶內工作 ,能在 0. 3至 35千赫頻帶內輻射 1. 5—2. 5W /cm2 的聲強. 流體 (液體 )動(dòng)力發(fā)生器聲源的優(yōu)點(diǎn)是可以廉價(jià)地獲得聲能 ,結構簡(jiǎn)單.液體流一方面是產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)力源和振動(dòng)體 ,另一方面又是傳播聲波的載體 ,因此易于聲匹配. 流體動(dòng)力型超聲發(fā)生器的主要應用包括氣體中的超聲除塵、空氣中塵埃的凝聚、氣體和重油的阻燃、加速熱交換、超聲干燥、超聲液體處理、超聲化學(xué)、超聲除泡沫以及液體中的油水乳化、加速晶體化過(guò)程等. 利用流體動(dòng)力法產(chǎn)生超聲的裝置主要包括用于氣體中的葛爾登哨、哈特曼哨及旋笛 ,用于液體中的簧片哨(見(jiàn)圖 1) ,以及可同時(shí)用于氣體和液體中的旋渦哨等。


        基于壓電效應原理工作的換能器統稱(chēng)為壓電換能器. 在功率超聲領(lǐng)域 ,應用最廣的是夾心式壓電換能器 ,又稱(chēng)為復合棒換能器或郎之萬(wàn)換能器 (見(jiàn)圖2). 除了常用的縱向振動(dòng)模式換能器外 ,為適應功率超聲新技術(shù)的需要 ,發(fā)展了扭轉振動(dòng)模式、彎曲振動(dòng)模式、縱 - 扭以及縱 - 彎復合模式功率超聲換能器. 其分析理論已經(jīng)從一維發(fā)展到了三維. 除了傳統的等效電路法和波動(dòng)方程法以外 ,一些近似的分析方法 ,如等效彈性法以及有限元法等 ,在大尺寸功率超聲換能器的分析中得到了廣泛的應用. 一些大型的數值分析軟件 ,如 ANSYS等 ,不僅可以分析換能器的振動(dòng)模式和共振頻率 ,而且可以給出換能器任意位置及任意時(shí)刻的應力和應變狀態(tài)以及位移分布 ,非常適用于換能器的優(yōu)化設計. 目前 ,功率超聲換能器的工作頻率 也從常用 的 較 低頻 率 (如20kHz) ,發(fā)展到了較高頻率 (如幾百千赫茲甚至兆赫茲數量級 ) ,如應用于硅片清洗的兆赫茲換能器和用于集成電路微點(diǎn)焊機的小型高頻超聲焊接機.另外 ,換能器的工作頻率也從單一工作頻率發(fā)展到了多個(gè)工作頻率. 例如用于超聲清洗中的復頻換能器和寬頻換能器等 ,以及用于超聲焊接中的雙工作頻率超聲振動(dòng)系統等. 單個(gè)換能器的功率容量也從幾十瓦發(fā)展到幾百瓦甚至幾千瓦。


        在壓電超聲換能器的發(fā)展過(guò)程中 ,壓電材料的性能提高是關(guān)鍵. 據報道 ,國內外的相關(guān)單位已研制出一類(lèi)新的壓電單晶材料 ( PMN2PT及 PZN 2PT) ,其壓電常數是現有的傳統壓電材料 (如鋯鈦酸鉛材料 )的幾倍乃至幾十倍 ,但這種材料的工作頻率上限還需進(jìn)一步提高. 可以預計 ,這種材料一旦商品化 ,換能器的功率容量以及振動(dòng)位移將發(fā)生革命性的變化. 另外 ,現有的壓電陶瓷材料絕大部分都采用鉛基的壓電材料 ,但是由于國際環(huán)境保護法的實(shí)施 ,對無(wú)鉛壓電材料的研制提高到了一個(gè)新的高度 ,目前國內已有相當多的關(guān)于無(wú)鉛壓電陶瓷的研究報道 ,但真正能用于功率超聲換能器且和鋯鈦酸鉛陶瓷材料相媲美的廉價(jià)的無(wú)鉛壓電陶瓷材料實(shí)際上不存在。

        磁致伸縮換能器是基于某些鐵磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸縮效應而制成的一種機聲轉換發(fā)聲器件 (見(jiàn)圖 3). 傳統的磁致伸縮材料包括鎳、鋁鐵合金、鐵鈷釩合金、鐵鈷合金以及鐵氧體材料等. 與壓電超聲換能器相比 ,由傳統的磁致伸縮材料制成的磁致伸縮換能器的應用范圍已經(jīng)很小 ,造成這種情況的原因在于磁致伸縮換能器的機電轉換效率較低 ,而且其激勵電路較復雜. 然而隨著(zhù)材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及稀土超磁致伸縮材料的研制成功 ,磁致伸縮換能器又受到了一定的重視. 預計將來(lái)不久 ,利用稀土超磁致伸縮材料制成的大功率換能器將在超聲技術(shù)中獲得大規模應用。


         3 檢測超聲換能器

        檢測超聲換能器是實(shí)現產(chǎn)生和接收超聲信號的主要器件. 隨著(zhù)無(wú)損探傷技術(shù)的發(fā)展 ,對檢測超聲換能器的理論探討和設計制作 ,受到了廣泛的重視. 目前檢測超聲換能器主要是利用壓電材料制成的壓電陶瓷超聲換能器、靜電換能器以及電磁聲換能器等.在無(wú)損檢測領(lǐng)域 ,人們常常稱(chēng)其為超聲探頭. 圖 4所示為一個(gè)傳統的壓電式超聲檢測用縱波直探頭。

        探頭是與超聲探測的方法緊密地聯(lián)系在一起的. 由于超聲檢測的應用領(lǐng)域廣泛 ,超聲檢測的方法很多 ,因而超聲探頭的種類(lèi)也是多種多樣的. 用于主動(dòng)式超聲檢測的探頭有 :按頻譜分有寬帶窄脈沖探頭和窄帶連續波探頭 ,以及沖擊波探頭、特高頻探頭和特低頻探頭 ;按工作波形分有直角縱波探頭和斜角橫波探頭、板波探頭、表面波和爬波探頭 ;按耦合方式分有直接接觸探頭和水浸探頭 ;按波束分有不聚焦的平探頭和聚焦探頭 ;按工作方式分有單探頭、雙探頭、機械掃描和電子切換探頭、電子束掃描相控陣探頭等 ;按工作的環(huán)境分有高溫探頭、微型探頭、高壓探頭等. 被動(dòng)工作式聲發(fā)射探頭有多模探頭、波形鑒別和定位探頭、小頻率窗口的窄帶探頭和大頻率窗口的窄帶探頭等. 聲學(xué)振動(dòng)檢測法探頭有聲阻法探頭、聲撞擊探頭、??藘x探頭、硬度計探頭、粘度計探頭、加速度計探頭、壓力傳感器探頭等. 此外還有科研用的一些特殊探頭 ,如用于聲場(chǎng)測試的微型探頭、脈沖響應測試的寬帶探頭以及靈敏度校準的標準探頭等。

        超聲檢測換能器大都工作在暫態(tài)狀態(tài)下. 換能器的暫態(tài)特性的研究實(shí)際上就是探討探頭在脈沖信號下的信號傳輸的特性 ,主要包括以下幾部分內容.第一 ,探頭在已知電脈沖的激勵下 ,在負載中產(chǎn)生的超聲波脈沖響應特性. 第二 ,在一個(gè)已知的超聲波脈沖的作用下 ,超聲探頭輸出的電脈沖響應特性. 第三 ,在已知的電脈沖的作用下 ,探頭在負載中產(chǎn)生的超聲脈沖由界面反射回來(lái)后又被探頭接收輸出的電脈沖響應特性等. 以上三種情況也就是通常所說(shuō)的超聲發(fā)射、接收以及又發(fā)又收特性. 超聲探頭的這些特性 ,不僅與探頭的結構 (背襯、壓電片、匹配層和保護膜 )和工作模式 (縱波、橫波、表面波及板波等 )有關(guān) ,還和超聲波發(fā)生器的內阻和接收器的輸入阻抗有關(guān) ,而且還與激勵信號的波形 (發(fā)射時(shí)的電壓波形以及接收時(shí)的入射聲波波形 )等有關(guān). 因此系統完整的有關(guān)探頭暫態(tài)特性的分析內容是相當豐富的 ,而且與換能器的穩態(tài)特性相比 ,換能器的暫態(tài)特性的分析要復雜得多。

        檢測超聲換能器要求有高的靈敏度和信噪比.在噪聲電平一定的情況下 ,增大有用信號的方法有兩種 ,一是增加激勵源電壓 ,也就是增加發(fā)射聲功率 ,然而這必須是有限度的 ,因為增加聲功率一方面可能造成對檢測物體或人體有害 ,另一方面也增加了電路的難度. 第二種方法則是提高換能器的靈敏度 ,這是衡量檢測超聲換能器好壞的一個(gè)重要標志。

        換能器的靈敏度與換能器和電源內阻間的阻抗匹配密切相關(guān). 由于檢測超聲換能器的聲負載 (待探測物體 )的聲阻抗率與換能器材料嚴重失配 ,靈敏度往往較低. 為了提高換能器的靈敏度 ,需要采用聲匹配和電路匹配方法. 聲、電匹配可以使換能器的頻帶變寬 ,插入損耗減小 ,因而換能器的靈敏度提高 ,在同樣激勵源和背景噪聲的情況下 ,信噪比也提高。
        此外 ,為了獲得微小缺陷所必要的分辨率 ,要求超聲換能器有較高的縱向和橫向分辨率等. 目前提高換能器縱向分辨率的主要方法包括提高換能器的工作頻率以及改善換能器的脈沖響應 ,實(shí)現寬帶窄脈沖. 另外 ,聲、電匹配不僅可以提高換能器靈敏度 ,而且可以改善脈沖響應特性 ,從而提高系統的縱向分辨率. 超聲檢測系統的橫向分辨率是由換能器的聲束寬度來(lái)決定的 ,為了提高換能器的橫向分辨率 ,最有效的辦法就是采用聚焦超聲換能器 ,例如球型壓電聚焦換能器、透鏡聚焦換能器以及相控陣電子聚焦換能器等。

        4 超聲換能器的性能測試

        在超聲技術(shù)中 ,為了評價(jià)超聲振動(dòng)系統的性能以及超聲的作用效果 ,必須對超聲換能器的性能參數進(jìn)行測試 [ 10—15 ] . 超聲換能器的各種參數大概可以分為兩大類(lèi) : 第一類(lèi)是與換能器本身的振動(dòng)性質(zhì)有關(guān)的物理量 ,如換能器的振動(dòng)位移和振速及其分布 ,與其相關(guān)的測試方法主要包括顯微鏡法、干涉法以及全息法等 ,既可以進(jìn)行絕對測量 ,也可以進(jìn)行相對測試 ;第二類(lèi)是與換能器的輻射聲場(chǎng)有關(guān)的物理量 ,如換能器的輻射聲功率 ,聲強度以及聲場(chǎng)分布等. 關(guān)于超聲換能器的性能測試 ,主要有兩種方法 ,即小信號法以及大信號法兩種. 目前有關(guān)功率超聲換能器的測試基本上限于小信號狀態(tài)下的測試 ,常用的方法包括導納和阻抗圓法 ,傳輸線(xiàn)法以及功率曲線(xiàn)法等. 對于接收型超聲換能器 ,其性能要求與發(fā)射型有所不同 ,因而其測試方法也有差異. 對于接收型換能器 ,接收靈敏度是一個(gè)重要的電聲參數 ,涉及到的測試方法有兩種 ,一是比較法 ,二是互易法. 一般來(lái)說(shuō) ,比較法主要用于校準測量換能器 ,而互易法主要用于校準標準換能器。

        關(guān)于超聲換能器的大功率性能測試 ,由于換能器的非線(xiàn)性以及振動(dòng)系統的復雜性 ,如波形畸變以及負載變化等 ,國內外至今沒(méi)有一種通用的測試方法 ,也缺乏統一的國際和國家標準 ,因此 ,對于一些實(shí)用功率超聲技術(shù)的評價(jià)缺乏統一的標準 ,也無(wú)法衡量大功率超聲設備 ,如超聲清洗機以及焊接機等的性能。

        日本學(xué)者于 70年代提出了一種可以測量大功率超聲換能器振動(dòng)性能的高頻電功率計法. 該法可以測量換能器在大功率狀態(tài)下的輻射聲功率及電聲效率. 然而 ,這種方法存在一些致命的缺點(diǎn) ,限制了其在實(shí)際中的應用. 第一 ,為了測量換能器的介電損耗功率 ,需要兩個(gè)性能完全一致的換能器 ,這一點(diǎn)在實(shí)際中是很難做到的. 第二 ,為了得到換能器的介電及機械損耗功率 ,事先必須測出換能器的介電及機械損耗功率與換能器端電壓和振動(dòng)速度之間的依賴(lài)關(guān)系. 鑒于上述原因 ,這種方法至今仍沒(méi)有在實(shí)際中得到廣泛的應用。

       功率超聲在液體中的應用技術(shù)基本上都與超聲的空化現象有關(guān) ,所有的大功率超聲液體聲場(chǎng)實(shí)際上就是微觀(guān)超聲空化場(chǎng)的宏觀(guān)表現. 因此大功率超聲場(chǎng)的測試實(shí)際上也就是超聲空化場(chǎng)或空化現象的測試. 由于超聲的空化現象是一個(gè)極為復雜的非線(xiàn)性微觀(guān)過(guò)程 ,其實(shí)際的測試極為困難和復雜 ,因而大功率超聲場(chǎng)的定量精確測試也是很難的. 比較流行的測試方法主要有兩種 :直接測量法 (直接測量聲場(chǎng)物理量的方法 ,這些物理量包括聲壓、聲強以及聲功率等 )以及間接測量法 (通過(guò)觀(guān)察功率超聲場(chǎng)的空化效果間接測量低頻高強超聲場(chǎng) ). 超聲場(chǎng)的直接測試方法包括水聽(tīng)器法 ,如壓電水聽(tīng)器、磁致伸縮水聽(tīng)器及光纖水聽(tīng)器等 ;熱敏探頭法 ,如熱電偶和熱敏元件等 ;以及光纖探測法和量熱法等. 間接測試方法包括薄膜腐蝕法 ,影像法 ,如淀粉碘化鉀反應法 ,染色法 ,液晶顯色法 ,聲致發(fā)光成像法等 ,以及譜分析法 ,如頻譜和功率譜分析法 ,聲發(fā)射譜法 ,空化噪聲譜等。

        在超聲技術(shù)中 ,聲功率是一個(gè)非常重要的物理量 ,有關(guān)其測試方法的研究報告也很多. 聲功率的直接測試方法主要包括用于小功率的輻射壓力法 (見(jiàn)圖 5)和用于大功率超聲的量熱法. 輻射壓力法主要用于醫學(xué)超聲功率的測試 ,測試范圍從毫瓦級到幾瓦乃至幾十瓦不等 ,測試精度較高 ,基本上可以控制在 10%左右. 目前用于大功率超聲功率的測試方法主要是量熱法 ,隨著(zhù)靈敏的熱敏器件的研究技術(shù)不斷提高 ,可以預計超聲功率的量熱法測試將會(huì )受到更多的關(guān)注和重視。



        5 新型超聲換能器

        5. 1 大功率管狀超聲輻射器 [ 16, 17 ]

        Frei首次提出了一種用于超聲清洗的新型超聲波換能器 ———管狀換能器 ( Tube resonators) ,結構如圖 6 ( a)所示. 它由一個(gè)普通縱向振動(dòng)換能器和一個(gè)圓管連接而成 ,圓管受換能器激勵并將縱向振動(dòng)轉化為徑向振動(dòng)向周?chē)后w輻射超聲波. 圓管可為實(shí)心也可為空心 ,其長(cháng)度為振子工作時(shí)所對應半波長(cháng)的整數倍. 由于該管狀換能器沿管體均能輻射超聲波 ,故其輻射面積較普通夾心式換能器大很多 ,而且它通過(guò)徑向振動(dòng)向周?chē)椛渎暷?,所以產(chǎn)生的聲場(chǎng)也比較均勻. 后來(lái) ,W alter等人對管形振子進(jìn)行了改進(jìn) ,通過(guò)在圓管兩端使用兩個(gè)縱向振動(dòng)換能器同時(shí)激勵 ,從而更有效地將縱向振動(dòng)轉化為徑向振動(dòng) ,并稱(chēng)這種振子為推拉換能器 ( Push - Pull transducers) ,其結構如圖 6 ( b)所示 ,它和圖 6 ( a)所示管狀換能器的結構相似 ,不同的是此時(shí)圓管兩端均有縱振換能器激勵 ,兩個(gè)換能器通過(guò)內部導線(xiàn)相連接 ,最后經(jīng)引線(xiàn)連接到超聲電源. 當圓管長(cháng)度為振子工作時(shí)所對應半波長(cháng)的奇數倍時(shí) ,兩個(gè)縱振換能器需同相激勵 ;相反 ,當圓管長(cháng)度為半波長(cháng)的偶數倍時(shí) ,兩端的換能器需反相激勵. 目前 , 瑞士 TELSON IC、美國CREST等公司均推出了該類(lèi)換能器的系列化產(chǎn)品 ,工作頻率有 20kHz、25kHz、30kHz、40kHz,輸出功率最高達 2000W ,振子最長(cháng)近 1. 5m. 我國也有單位于近年研制成功了此類(lèi)管狀換能器。


        5. 2 復頻換能器研究 [ 18—22 ]
        在超聲清洗以及聲化學(xué)等應用中 ,需要寬頻帶或具有多個(gè)共振頻率的換能器. 盡管可以利用電路技術(shù)中的掃頻技術(shù) ,但由于傳統的夾心式壓電換能器的頻帶較窄 ,因此掃頻技術(shù)的效果不很理想. 為了使換能器的頻帶加寬 ,或設計具有多個(gè)共振頻率的換能器 ,可以采用的措施包括 : (1)通過(guò)改變換能器電端匹配電路中的電感可以改變換能器的共振頻率 ; (2)利用換能器的徑向振動(dòng)和縱向振動(dòng)之間的耦合振動(dòng)可以對換能器的共振頻率和頻帶進(jìn)行調節 ; (3)利用穿孔換能器可以展寬換能器的頻帶 ;(4)利用換能器輻射頭的彎曲也可以展寬換能器的頻帶寬度 ; (5)利用矩形輻射板的彎曲振動(dòng) ,可以實(shí)現復頻功率超聲換能器 ,如圖 7所示。


        5. 3 大功率氣介超聲換能器的研究 [ 23—28 ]
        西班牙學(xué)者提出了一種由縱向振動(dòng)夾心式壓電陶瓷超聲換能器與彎曲振動(dòng)板 (圓板或矩形板 )組成的大功率氣介超聲換能器 (見(jiàn)圖 8) ,通過(guò)相位補償技術(shù) ,單個(gè)換能器的輻射功率可以達到 500W ,電聲效率可以達到 75%. 換能器的輻射面直徑可以達到 1m. 此類(lèi)換能器主要用于超聲除塵、超聲去泡沫以及超聲清洗紡織品等。



        5. 4 復合振動(dòng)模式換能器的研究 [ 29—32 ]
        隨著(zhù)超聲技術(shù)的發(fā)展 ,一些新的超聲應用技術(shù)對超聲振動(dòng)能量的傳播方式及作用形式提出了不同的要求. 例如超聲旋轉加工等需要扭轉或縱 - 扭復合振動(dòng)模式超聲換能器 (見(jiàn)圖 9) ; 超聲振動(dòng)切削以及超聲外科手術(shù)需要彎曲以及縱 - 彎復合模式超聲換能器 ; 超聲馬達需要縱 - 扭、縱 - 彎或扭 - 彎復合振動(dòng)系統. 另外 ,一些傳統的超聲應用技術(shù) ,例如 :超聲焊接、超聲疲勞實(shí)驗等 ,為了提高振動(dòng)能量的作用效果 ,往往也需要一些復合模式的超聲振動(dòng)系統。


        在有關(guān)復合模式超聲換能器的研究中 ,目前的研究熱點(diǎn)在于如何實(shí)現同一換能器中不同振動(dòng)模式的同頻共振、不同振動(dòng)模式之間的相互影響、以及不同振動(dòng)模式的負載特性和輸入阻抗特性。

        另外 ,在一些特殊的場(chǎng)合 ,例如超聲拉拔金屬絲或金屬管的應用中 ,需要超大功率的超聲波. 由于現有的單個(gè)換能器的功率容量有限 ,很難達到所需的超聲功率 ,此時(shí)可以應用大功率的超聲功率合成器 [ 33—35 ] ,如 R - L或 L - L振動(dòng)方向變換器等. 在圖10中 ,六個(gè)夾心式縱向振動(dòng)換能器在圓盤(pán)的半徑方向激勵金屬圓盤(pán) (R - L振動(dòng)方向變換器 ) ,由于半徑和高度方向的相互耦合 ,就可以把徑向振動(dòng)能量變換為軸向 (L方向 )的能量 ,從而實(shí)現軸向能量的大功率輸出。


6 結    語(yǔ)

         超聲技術(shù)已成為國際上公認的高科技領(lǐng)域. 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,超聲技術(shù)必將在我國的國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮越來(lái)越大的作用. 超聲換能器是超聲技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分 ,其研發(fā)水平直接決定了超聲技術(shù)的發(fā)展及應用廣泛程度.

        超聲換能器的研究是一門(mén)綜合技術(shù) ,其發(fā)展與現代科學(xué)技術(shù)密切相關(guān). 電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)以及新材料技術(shù)是影響超聲換能器發(fā)展水平的一些重要的高新技術(shù). 關(guān)于超聲的產(chǎn)生 ,超聲換能器的材料研發(fā)是關(guān)鍵 ,目前的發(fā)展方向主要包括高效、廉價(jià)、無(wú)污染的新型換能材料的研制 ,新的換能機理的研究以及換能器分析方法的完善和改進(jìn). 在換能器的材料研發(fā)方面 ,弛豫型壓電單晶材料 ,如鈮鎂酸鉛 - 鈦酸鉛以及鈮鋅酸鉛 - 鈦酸鉛等具有較好的發(fā)展前景 ,有望在超聲和水聲等技術(shù)中獲得更為廣泛的應用. 另外 ,換能器的測試技術(shù)與超聲換能器的發(fā)展密切相關(guān). 換能器的測試技術(shù)則主要體現在如何實(shí)現大功率超聲換能器性能的實(shí)時(shí)測試與定量測試 ,如超聲功率、超聲空化場(chǎng)等的定量測試等.

        總之 ,超聲波的產(chǎn)生與測試是超聲技術(shù)中的兩個(gè)主要的研究方面 ,其發(fā)展是相互聯(lián)系相互促進(jìn)的.就目前的發(fā)展來(lái)看 ,超聲的測試技術(shù)發(fā)展滯后于超聲的產(chǎn)生技術(shù)研究 ,可以預見(jiàn) ,隨著(zhù)超聲換能器技術(shù)和超聲測試技術(shù)的水平提高 ,超聲技術(shù)的發(fā)展必將出現一個(gè)嶄新的時(shí)代.



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