超(chao)聲波換(huan)能(neng)(neng)器(qi)是(shi)(shi)一(yi)種能(neng)(neng)量轉換(huan)器(qi)件(jian)，超(chao)聲波換(huan)能(neng)(neng)器(qi)的功能(neng)(neng)是(shi)(shi)將輸入的電功率(lv)轉換(huan)成(cheng)機械功率(lv)（即超(chao)聲波）再傳遞出去，而自身(shen)消(xiao)耗很少的一(yi)部分(fen)功率(lv)。超聲(sheng)波換能器，要解決的(de)技術(shu)問(wen)題是設計一種作用距離(li)大(da)、頻(pin)帶寬(kuan)的(de)超聲波換能(neng)器(qi)。換能器由(you)外(wai)殼、匹配層(ceng)、壓電陶瓷圓盤(pan)換能器、背(bei)襯、引出電纜和(he)Cymbal陣列接收器組成。壓電(dian)陶瓷圓盤換能(neng)器采用厚(hou)度方向極化的PZT-5壓電材料(liao)制成(cheng)，Cymbal陣列接(jie)收器由(you)8～16只Cymbal換能器、兩(liang)個金屬圓環和橡膠墊(dian)圈(quan)組成(cheng)。本發明的作用距(ju)(ju)離大于(yu)35m，頻(pin)帶寬(kuan)度(du)達到10kHz，能檢測高(gao)速(su)移動的遠距(ju)(ju)離目標。
功能結(jie)構
超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)包括(kuo)外殼(ke)(1)、匹(pi)配層即聲(sheng)(sheng)窗(chuang)(2)、壓(ya)電陶瓷(ci)圓(yuan)盤換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(3)、背襯(4)、引出電纜(5)，其特(te)征在于(yu)它還(huan)包括(kuo)Cymbal陣列接(jie)收器(qi)，它由引出電纜(6)、8～16只Cymbal換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(7)、金屬(shu)圓(yuan)環(8)、(9)和(he)橡膠墊(dian)圈(10) 組成；Cymbal陣列接(jie)收器(qi)位(wei)于(yu)圓(yuan)盤式壓(ya)電換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)3之上；壓(ya)電陶瓷(ci)圓(yuan)盤換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)用作基本的(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)，由它發射(she)和(he)接(jie)收超(chao)聲(sheng)(sheng)波信號(hao)；Cymbal陣列接(jie)收器(qi)位(wei)于(yu)圓(yuan)盤式壓(ya)電換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)之上，作為超(chao)聲(sheng)(sheng)波接(jie)收器(qi)，用于(yu)接(jie)收圓(yuan)盤換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)頻帶之外的(de)多普勒回波信號(hao)。
主(zhu)要(yao)適用與超聲(sheng)波(bo)塑料(liao)焊(han)接機(ji)、超聲(sheng)波(bo)金屬焊(han)接機(ji)，超聲(sheng)波(bo)清洗機(ji)，氣相機(ji)，三氯機(ji)等。
超聲波換能器的應用
超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換能(neng)器的應用十分(fen)廣泛,它按應用的行業分(fen)為(wei)(wei)工(gong)業、農業、交通運輸、生活、醫(yi)療及軍事等。按實(shi)現(xian)的功能(neng)分(fen)為(wei)(wei)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)加工(gong)、超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)清洗、超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)探測、檢測、監測、遙(yao)測、遙(yao)控等；按工(gong)作環境分(fen)為(wei)(wei)液體(ti)(ti)、氣體(ti)(ti)、生物(wu)體(ti)(ti)等;按性質(zhi)分(fen)為(wei)(wei)功率超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)、檢測超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)、超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)成像等。
1、壓電陶瓷變壓器
壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷變(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)是利用極化后壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)體(ti)的(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)來實現電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)輸出(chu)的(de)。其(qi)輸入(ru)(ru)部分(fen)用正(zheng)弦電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)信號驅(qu)動(dong), 通過(guo)逆壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)使其(qi)產(chan)生振動(dong), 振動(dong)波通過(guo)輸入(ru)(ru)和(he)輸出(chu)部分(fen)的(de)機械耦合到(dao)輸出(chu)部分(fen), 輸出(chu)部分(fen)再(zai)通過(guo)正(zheng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)效應(ying)產(chan)生電(dian)(dian)(dian)(dian)荷,實現壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)體(ti)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)能-機械能-電(dian)(dian)(dian)(dian)能的(de)兩次變(bian)換,在壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)變(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)諧振頻率(lv)下(xia)獲得最(zui)高輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)。與(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)磁(ci)(ci)變(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)相比, 這(zhe)具有體(ti)積小, 質量輕,功率(lv)密度高, 效率(lv)高, 耐(nai)(nai)擊穿, 耐(nai)(nai)高溫, 不怕燃燒, 無電(dian)(dian)(dian)(dian)磁(ci)(ci)干擾和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)磁(ci)(ci)噪(zao)聲, 且結(jie)構簡單、便(bian)于(yu)制(zhi)作(zuo)、易(yi)批量生產(chan), 在某些領域成為電(dian)(dian)(dian)(dian)磁(ci)(ci)變(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)理想替代元件等(deng)優(you)點。此類(lei)變(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)用于(yu)開關轉換器(qi)(qi)、筆記本電(dian)(dian)(dian)(dian)腦、氖燈驅(qu)動(dong)器(qi)(qi)等(deng)。
2、超聲波馬達
超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)是把定(ding)子作為換(huan)能器(qi)(qi), 利(li)用壓電晶(jing)體(ti)的(de)(de)逆壓電效應讓馬(ma)達(da)定(ding)子處于超聲(sheng)波(bo)頻(pin)率的(de)(de)振動, 然后靠(kao)定(ding)子和(he)轉子間的(de)(de)摩(mo)擦力來(lai)傳(chuan)遞(di)能量, 帶動轉子轉動。超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)體(ti)積小(xiao), 力矩(ju)大, 分辨率高, 結(jie)構(gou)簡(jian)單, 直接驅動, 無制動機構(gou), 無軸承機構(gou), 這些優(you)點有益于裝置(zhi)的(de)(de)小(xiao)型化。超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)廣泛應用于光學儀(yi)器(qi)(qi)、激光、半導體(ti)微(wei)電子工(gong)藝、精密機械(xie)與(yu)儀(yi)器(qi)(qi)、機器(qi)(qi)人、醫(yi)學與(yu)生物(wu)工(gong)程領域。
3、超聲波清洗
超聲(sheng)(sheng)波(bo)清(qing)(qing)洗(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)理(li)是利用超聲(sheng)(sheng)波(bo)在(zai)清(qing)(qing)洗(xi)(xi)液中傳播時的(de)(de)(de)(de)空化、輻射壓、聲(sheng)(sheng)流等物(wu)理(li)效應, 對(dui)清(qing)(qing)洗(xi)(xi)件上的(de)(de)(de)(de)污物(wu)產生的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)械起剝落作用, 同時能促(cu)進清(qing)(qing)洗(xi)(xi)液與污物(wu)發生化學(xue)反應, 達(da)到清(qing)(qing)洗(xi)(xi)物(wu)件的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。超聲(sheng)(sheng)波(bo)清(qing)(qing)洗(xi)(xi)機(ji)(ji)所用的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)根據清(qing)(qing)洗(xi)(xi)物(wu)的(de)(de)(de)(de)大小和目的(de)(de)(de)(de)可選(xuan)用10～500 kHz, 一(yi)般多為20～50 kHz。隨著(zhu)超聲(sheng)(sheng)波(bo)換能器頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)增加,可采用郎之萬(wan)振(zhen)(zhen)子(zi)(zi)(zi)、縱向振(zhen)(zhen)子(zi)(zi)(zi)、厚度振(zhen)(zhen)子(zi)(zi)(zi)等。在(zai)小型化方(fang)面, 也有采用圓片振(zhen)(zhen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)徑向振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)和彎(wan)曲振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)。超聲(sheng)(sheng)波(bo)清(qing)(qing)洗(xi)(xi)在(zai)各(ge)種工業(ye)、農業(ye)、家用設備、電子(zi)(zi)(zi)、汽車(che)、橡膠、印刷、飛機(ji)(ji)、食品、醫院和醫學(xue)研究(jiu)等行業(ye)得到了(le)越來越廣泛的(de)(de)(de)(de)應用。
4、超聲波焊接
超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波焊(han)接(jie)(jie)有(you)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波金(jin)屬焊(han)接(jie)(jie)和(he)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波塑(su)料(liao)(liao)焊(han)接(jie)(jie)兩大類(lei)。其中超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波塑(su)料(liao)(liao)焊(han)接(jie)(jie)技術已(yi)獲(huo)得較為(wei)普遍的(de)應用。它是(shi)利用換能(neng)器產(chan)生的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)振動(dong), 通過(guo)上(shang)焊(han)件(jian)把超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)振動(dong)能(neng)量傳送到焊(han)區。由于(yu)焊(han)區即兩焊(han)件(jian)交界處聲(sheng)(sheng)(sheng)阻大, 所以會產(chan)生局部高溫(wen)使塑(su)料(liao)(liao)熔化, 在接(jie)(jie)觸壓力的(de)作(zuo)用下完成焊(han)接(jie)(jie)工(gong)作(zuo)。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)塑(su)料(liao)(liao)焊(han)接(jie)(jie)可(ke)方(fang)便焊(han)接(jie)(jie)其他(ta)焊(han)接(jie)(jie)法無法焊(han)接(jie)(jie)的(de)部位。另外, 還節(jie)約(yue)了(le)(le)塑(su)料(liao)(liao)制品昂貴(gui)的(de)模(mo)具費(fei), 縮(suo)短(duan)了(le)(le)加工(gong)時間, 提高了(le)(le)生產(chan)效率, 有(you)經(jing)濟(ji)、快速和(he)可(ke)靠等特點(dian)。
5、超聲波加工
把(ba)微細(xi)磨(mo)料(liao)隨超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波加工(gong)工(gong)具(ju)(ju)一(yi)起(qi)以一(yi)定靜壓力加在(zai)工(gong)件(jian)上(shang), 就能加工(gong)出與(yu)工(gong)具(ju)(ju)相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)形狀。加工(gong)時(shi)換(huan)能器(qi)需在(zai) 15～ 40 kHz的(de)(de)(de)(de)頻率下, 產生 15～ 40 微米的(de)(de)(de)(de)振(zhen)幅。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波工(gong)具(ju)(ju)使工(gong)件(jian)表面的(de)(de)(de)(de)磨(mo)料(liao)以相(xiang)當大的(de)(de)(de)(de)沖擊(ji)力連續沖擊(ji), 破壞超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)輻射(she)部位(wei), 使材(cai)料(liao)破碎而達到去(qu)除(chu)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波加工(gong)主要應用(yong)于(yu)寶石、玉器(qi)、大理(li)石、瑪瑙(nao)、硬(ying)(ying)質合金等脆硬(ying)(ying)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)加工(gong)以及異型孔和細(xi)深孔的(de)(de)(de)(de)加工(gong)。此外, 在(zai)普通(tong)切(qie)削(xue)工(gong)具(ju)(ju)上(shang)加超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)能器(qi)振(zhen)動(dong)時(shi), 也可起(qi)到提高(gao)精度(du)和效率的(de)(de)(de)(de)作用(yong)。
6、超聲波減肥
利用(yong)超(chao)聲波換能器的(de)(de)空化(hua)效應和(he)微機(ji)械(xie)振動, 將人體表(biao)皮下多(duo)余的(de)(de)脂肪細胞破碎(sui)、乳化(hua)后排出(chu)體外, 達到減肥(fei)、塑形的(de)(de)目的(de)(de)。這是國際上90 年代發展起(qi)來的(de)(de)一項新(xin)技術(shu)。意(yi)大利的(de)(de)Zocch i首次將超(chao)聲去(qu)脂用(yong)于床, 并獲得(de)成功, 為整形、美容開創(chuang)了先河(he)。超(chao)聲去(qu)脂技術(shu)在(zai)國內外得(de)以(yi)迅(xun)速(su)發展。
7、超聲波育種
對植物(wu)種子(zi)進行適當頻率和強度(du)的超聲波(bo)照射, 可提高(gao)(gao)種子(zi)的發芽率, 降低霉(mei)爛率, 促進種子(zi)的生(sheng)(sheng)長(chang)(chang), 提高(gao)(gao)植物(wu)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速度(du)。據資料介紹, 超聲波(bo)可使某些(xie)植物(wu)種子(zi)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速度(du)提高(gao)(gao)2～3 倍。
8、電子血壓計
利用超(chao)(chao)聲波換(huan)能器(qi)接收(shou)血(xue)(xue)(xue)管(guan)的壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力, 當氣(qi)囊加壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)緊壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)血(xue)(xue)(xue)管(guan)時, 因(yin)外加壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力高于血(xue)(xue)(xue)管(guan)舒(shu)張壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力, 超(chao)(chao)聲波換(huan)能器(qi)感(gan)受不(bu)到血(xue)(xue)(xue)管(guan)的壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力; 而(er)當氣(qi)囊逐漸泄氣(qi), 超(chao)(chao)聲波換(huan)能器(qi)對血(xue)(xue)(xue)管(guan)的壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力隨之減(jian)小到某一數值時, 二者的壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力達到平衡, 此時超(chao)(chao)聲波換(huan)能器(qi)就能感(gan)受到血(xue)(xue)(xue)管(guan)的壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力, 該壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力即為心臟的收(shou)縮壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya), 通過放(fang)大(da)器(qi)發出指示(shi)信號, 給出血(xue)(xue)(xue)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)值。電子血(xue)(xue)(xue)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)計由于取消了(le)聽診器(qi), 可減(jian)輕醫務(wu)人員的勞動強度(du)。/9
9、遙測遙控
在有毒、放射(she)性等惡劣環境(jing)中, 人(ren)們不能(neng)接(jie)近(jin)工(gong)作, 需要遠地(di)控制(zhi); 電(dian)視機, 電(dian)風扇以及電(dian)燈等電(dian)器(qi)開(kai)關需要遙控, 都可裝上超聲波換能(neng)器(qi), 通過遠地(di)發(fa)射(she)超聲波由(you)裝在需要控制(zhi)系統(tong)上的接(jie)收(shou)(shou)換能(neng)器(qi)所接(jie)收(shou)(shou),把聲信號轉(zhuan)變成電(dian)信號使開(kai)關動作。
10、交通監測
現代交(jiao)通, 自動監測(ce)車輛的(de)通行(xing)和(he)計數(shu)以便掌(zhang)握車輛的(de)運行(xing)情(qing)況是非常(chang)必要的(de)。如交(jiao)通監理站安裝(zhuang)(zhuang)一個收發兼用的(de)超聲波換能器及(ji)其附屬設(she)備, 當車輛通過(guo)時就有一個聲脈沖返回, 通過(guo)計數(shu)累計可(ke)得(de)到(dao)日行(xing)車輛的(de)數(shu)量(liang)。給(gei)汽(qi)車尾部裝(zhuang)(zhuang)一個收發兩用的(de)換能器, 可(ke)防止倒車相撞事故發生。在(zai)公路上安裝(zhuang)(zhuang)接收型壓(ya)電(dian)超聲波換能器還(huan)可(ke)以監測(ce)噪(zao)聲指數(shu)。
11、測距
超聲波測距裝置又叫聲尺。它(ta)是通過收發兩用的(de)換(huan)能器(qi), 測量脈沖(chong)時間(jian)(jian)間(jian)(jian)隔(ge)。聲尺可(ke)測10m 以內的(de)距離, 精度可(ke)達千分之幾。
12、檢(jian)漏及氣體檢(jian)測
對于壓(ya)力(li)系(xi)統(tong), 在(zai)泄漏處(chu), 由(you)于壓(ya)力(li)容(rong)器的(de)(de)內外壓(ya)差造成射流(liu)噪聲(sheng)。這種(zhong)噪聲(sheng)頻(pin)譜極寬。對于非(fei)壓(ya)力(li)系(xi)統(tong), 可在(zai)密閉(bi)系(xi)統(tong)內安放一(yi)個超(chao)聲(sheng)波(bo)源(yuan), 然后(hou)從密閉(bi)系(xi)統(tong)外部接收。一(yi)般(ban)未泄漏時測到的(de)(de)信號幅度(du)極小或(huo)沒(mei)有(you), 在(zai)泄漏處(chu)信號幅度(du)有(you)突然增(zeng)大的(de)(de)趨(qu)勢。氣體(ti)流(liu)量檢測也(ye)是化工中的(de)(de)重要手段之一(yi)。流(liu)量檢測目(mu)前有(you)多種(zhong)放大，如浮子流(liu)量計等。但利用超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)能器主要優點是不(bu)妨礙(ai)流(liu)體(ti)的(de)(de)流(liu)動(dong)。
13、信息采集
智能機器(qi)人要實現在空(kong)間自(zi)由行走、辨(bian)認物體等(deng)功能, 不僅要用(yong)超聲波換(huan)(huan)能器(qi)測(ce)距導盲(mang), 而且(qie)要成(cheng)像辨(bian)識。所以, 需要小型(xing)的(de)超聲波換(huan)(huan)能器(qi)陣, 以實現多種功能, 這方面將成(cheng)為一項重要的(de)研究課題, 吸引著眾(zhong)多的(de)科(ke)學家為之奮斗(dou)。
