压电超声换能器原理

超声波换能器的功能是将输入电功率转换为机械功率（即超声），然后传输，同时消耗其自身功率的一小部分。

对于超声换能器，要解决的技术问题是设计一种工作距离大，频带宽的超声换能器。该换能器由外壳，匹配层，压电陶瓷圆盘换能器，背衬，引出电缆和mb阵列接收器组成。压电陶瓷盘式换能器由沿厚度方向极化的PZT-5压电材料制成。 mb阵列接收器由8-16个Cy传感器，两个金属环和橡胶垫圈组成。本发明的工作距离大于35m，频带宽度达到10kHz，可以检测出高速移动的长距离目标。

超声波换能器，包括外壳（1），匹配层（即声窗）（2），压电陶瓷圆盘换能器（3），背衬（4），引出电缆（5），其特征在于，还包括mb阵列接收器，它由引出电缆（6），8-16 Cy传感器（7），金属环（8），（9）和橡胶垫圈（10）组成；阵列接收器位于磁盘上压电压电换能器3;压电陶瓷盘式换能器用作基本的超声换能器，用于发送和接收超声信号。 mb阵列接收器位于圆盘压电换能器上方，作为超声波接收器，它用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。主要适用于超声波塑料焊接机，超声波金属焊接机等。

超声波换能器是一种能量转换设备，其功能是将输入的电能转换为机械能（即超声波），然后进行传输，并且其自身消耗的电能很小（不到10％）。

超声换能器的测量中包括的参数：

F：共振频率（阻抗最小的状态）

FS：反谐振频率（处于最大阻抗时的状态）

F1-F2：带宽

R：动态电阻（阻抗）

C0：静态电容（可以测量电容表）

C1：动态电容（匹配参数）

L1：动态电感（匹配参数）

以上数据可以通过阻抗分析仪/ HP4139进行测量。可以测量关键的动态参数。

1.从纯电气角度来看：它是一个电容器，由电阻计测量。

2.从纯粹的机械观点来看：这是一种可以引起共鸣的弹性物体。像二胡琴弦一样，振动在内部具有特殊的模式，但是它比它复杂一些，并且表现出不同频率下的串联谐振和并联谐振的特性。

3.从电声的角度来看：它是一个转换器。当施加电压时，产生体积变化。当体积变化受到限制时，力会施加在限制它的物体上。当施加力时，产生电压。

这种转换就像我们电源中使用的变压器一样。描述变压器转换的参数是匝数比n，输入Vp是输出Vs。然后，转换由Vp = -nVs表示。变压器两侧的参数均为电压V。

描述换能器转换的参数是电声转换系数（电声比）Φ，电参数参数电流I，声学终端（或呼叫终端）参数是声速v，转换由I =- Φv。

因为电网分析理论相对成熟，所以使力学接近电势意味着使用电气描述方法（例如V，I，R，L，C等）来描述力学定律。

在等效图的机器端，力F等于电压V，声速v等于电流I，力阻抗Zm等于电阻R。

因此，在机器方面，欧姆定律的机械形式为：F = v·Zm;机器侧的Lm，Cm等仅用于分析和理解。它们是虚拟参数，很难测量，但是可以通过测量其他参数来估计（如果使用）。

当物体受力时，物体有改变状态的趋势。阻力形式变化的因素是受力阻力Zm的原因，例如损耗，动能，弹性势能和其他能量，因此

Zm = Rm + j·Xm = Rm + j·（ωM-K /ω）

可以理解为：损耗因数Rm将能量转换成换能器以外的能量，例如热量损失，并且这种能量转换是不可逆的。

Xm可以理解为像电子零件（如LC）那样存储能量的因素，包括转换成机械动能的ωM项，以及在弹性变形后变成弹性势能的K /ω项。储能的两项只是临时储能。回收利用，以及当它们彼此转换时，不同形状和材料的换能器具有不同的性能。

为了分析换能器的压电装置，我认为应该有以下三种状态：

1.自由状态：分析压电膜时未夹紧的状态；

2.夹紧状态：制造传感器但未施加负载时；

3.使用状态：实际使用中，换能器被放置在使用介质中，了解这种状态是设计电源时最需要的。

从等效电路的角度来看，换能器和晶体滤波器的电气特性相似。应该有两个谐振频率，LCR串联谐振频率和LC0并联谐振频率。

如果换能器中（工业上）通常使用的谐振频率仅指串联谐振频率（最小阻抗状态），而忽略并联谐振频率，那么可以理解为：有效完成电声转换，工作频率应该是串联谐振频率。只有在该频率下，L和C的电抗才会互相抵消，能量才能以最大效率传输到R；静态电容C0被电路中的匹配电感Lz抵消，使开关输出的电压保持电流相位尽可能一致，以满足电路输出能量传输的高效率。这个可以吗？

参数中的L1和C1是否与上方31图中的L和C相同？

如果是，是否可以这样理解输出循环：

将传感器连接到电源后，将反馈变压器的输出电路放置在另一个谐振电路（LzC0）的电容器C0两端并联一个谐振电路（L1C1R）。前一个回路是不可调节的（但我想知道它是否受声学负载变化的影响吗？），而后一个回路可以通过Lz进行调整。

L1和C1将受到负载的影响。主要因素是温度和机械负载。当温度升高到45度以上时，电流会增加，但输出功率会明显降低；对于机械载荷，也会不可避免地影响L1和C1，因为超声换能器的原理是机械应变效应，在施加机械载荷后会改变换能器的结构，质量和形状，从而改变换能器的应变特性。两者对换能器的综合作用将使共振频率偏移2％或更多。