换能器

换能器，也称有源传感器，是实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。换能器，是指电能和声能相互转换的器件。在回声测深仪、多普勒计程仪和声相关计程仪中使用。将电能转换成声能的称为发射换能器；将声能转换成电能的是接收换能器。发射和接收换能器通常是分开使用的，但也可以共用一个。换能器的主要性能指标有：工作频率、频带宽度、电声频度、谐振频率时的阻抗、指向性（发射波束宽度）和灵敏度等。按物理特性和使用材料的不同，换能器可分为两类：磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。

换能器主要有磁致伸缩和压电晶体两大类。

元件形状按组成换能器的压电元件形状分为薄板形, 圆片形, 圆环形, 圆 管形, 圆棒形, 薄壳球形, 压电薄膜等;振动模式按振动模式分为伸缩振动, 弯曲振动, 扭转振动等;振动方向按伸缩振动的方向分为厚度, 切向, 纵向, 径向等;压电转换方式按压电转换方式分为发射型 ( 电-声转换) , 接收型 ( 声-电转换) , 收发兼用型等。传播介质按传播介质分为液介, 固介, 气介等。

换能器是一种能量转换器件，其性能描述和评价需要许多参数。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、机械品质因数、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；而对于接收型换能器，则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等。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。为了确定换能器的工作状态，必须求出它的机械振动系统的状态方程式和电路系统状态方程式。换能器机械系统的状态方程式(简称为机械振动方程)是换能器处于工作状态时，描写它的机械振动系统的力和振速的关系式，而电路系统的状态方程式(简称电路状态方程式)是描写电路系统的振动特性的。由于换能器的机械系统和电路系统是互相耦合的，所以机械系统的振动会影响到电路的平衡，而电路的变化也会影响到机械系统的振动，因此我们总是利用这些方程组分析、讨论换能器的工作特性。

超声波是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。常用的大功率超声波换能器，应用于超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等设备。常用的 15KHz 20KHz 28KHz 35KHz 40KHz 55KHz 70KHz等产品 还可以根据客户特殊要求设计制作非标换能器，以满足各种需求。

磁致伸缩有镍[niè]片换能器和铁氧体换能器。

• 铁氧体换能器的电声转换效率比较低，使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。
• 镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以很少使用。

最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。

• 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01um以下的变形。
• 钛酸钡[bèi]的压电效应比石英晶体大20-30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。
• 锆钛酸铅具有二者的优点，可用作超声波清洗，探伤和小功率超声波加工的换能器。

压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。