超声波换能器的结构和工作原理

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　　超声波换能器可用于水下声纳和空气中的接近度测量。它使用飞行时间理论(ToF)，即发射的超声波和来自物体的反射波之间的时间差，来计算超声波换能器与物体之间的距离。此外，超声波在单张和多张之间的穿透能量差异可用于双张检测，以确定物体是否重叠。通常，对于超声波检测，无论固体，液体或粉末如何，都可以通过超声波换能器检测物体。被检测物体的类型和性质不受其形状、材料、颜色、透明度、硬度等的影响。因此，超声波换能器如今广泛应用于水下声纳、停车传感器、液位传感器、双馈检测和流量计等。

　　1.超声波换能器的结构

　　如图1所示，超声换能器由压电陶瓷、声学匹配层和阻尼层组成。压电陶瓷的主要成分是钛酸锆铅(PZT)，两侧涂有导电层。通过施加高频交变电压，压电陶瓷可以通过反向压电效应(电能到机械能的转换)产生高频振动。高频振动是声波的一种。如果该声波的频率大于20kHz，那就是超声波振动。相反，超声波可以通过使用压电陶瓷的正压电效应(机械能到电能)来接收。

图1 超声波换能器结构

2.超声波换能器的原理

　　超声波换能器按功能可分为发射器、接收器和收发器，如图2所示。以工作在40kHz的探头为例，变送器的谐振频率(fr)设计在接近所施加电信号工作频率的频率，如图3所示，以优化发射效率。相反，设计接近接收端的超声波频率的抗谐振频率(fa)，如图4所示，以优化接收效率。收发器的工作频率设计为介于收发器的谐振频率(fr)和反谐振频率(fa)之间，如图5所示。探头的工作频率越高，分辨率越高，但检测范围越短。

　　图2 换能器应用示意图

图3 变送器设计示意图

图4 接收机设计示意图

图5 收发机设计示意图

然而，为了使产生的超声波有效地从压电陶瓷传输到物体或流体(例如，在空气或水中)，压电陶瓷与物体或流体之间的声阻抗必须通过声学匹配层进行匹配。常见物质的声速和声阻抗特性如下：

　　换能器的必要部分，放置在压电陶瓷和空气之间，使两者的声阻抗可以匹配，超声波能量可以有效地传输到空气中。

　　超声波空气换能器匹配层的理想声阻抗值为Rair，约为0.122MRayl，但很难找到声阻抗低于1MRayl且本质上耐用的材料。目前，声学匹配层常用的材料是一种由聚合物基体和空心粉末制成的复合材料，以实现具有合理可靠性的较低声阻抗。根据应用的不同，超声波换能器可以在一发一收模式或一发一仰回波模式下使用。应该注意的是，超声波换能器本身就具有振铃特性。当人们设计用于接近测量的超声波换能器时，振铃限制了最小检测距离。通常，阻尼层用于让超声波换能器快速恢复到其静态状态，以减少其振铃。

　　3.如何选择合适的超声波换能器

　　超声波换能器的主要特性包括灵敏度、方向性和盲区，解释如下：

　　敏感性

　　在了解灵敏度之前，有必要介绍声压级(SPL)。

　　声压级是相对于参考值的对数刻度测量的有效声压，定义为：

　　SPL=20*log(P/预付);测量单位为dB

　　其中P是声压，Pref是标准参考声压。通常，Pref定义为0.0002ubar(源自人类听力阈值)。但是，为了方便表示换能器的性能，使用灵敏度来表示接收强度。

　　灵敏度的单位通常是V/Pa或mV/Pa(V：接收电压，Pa：帕斯卡)。发射强度定义为标准电容式麦克风(S.C.M.)在向超声波换能器输入特定频率和功率信号后，在一定距离处获得的声压，如图6所示。接收灵敏度被定义为由超声波换能器发射并由标准电容式麦克风和超声波换能器接收的固定声压，以在一定距离下平行进行测试，如图7所示。在标准电容式麦克风旁边，换能器接收到这个声压，然后将其转换为电压信号，通过比较两者，可以确定换能器的灵敏度。因此，接收器的输出电压可用于确定其灵敏度水平。接收器的输出电压越高，灵敏度越高，反之亦然。

图6 发射机灵敏度测试

图7 接收机灵敏度测试

　　方向性

　　超声波换能器的方向性定义为超声强度在与换能器的特定距离处衰减的角度，相对于主发射方向上定义为零dB的最大强度，如图8所示。超声波换能器的方向性角度受超声波波长和发射表面尺寸的影响。频率越高，波长越小，方向角越窄;发射面的尺寸越大，指向性角越小。

图8 方向性示意图

　　盲区

　　盲区是指超声换能器的最小检测距离，影响盲区大小的主要因素是振铃时间。当换能器接收到特定频率的电子信号时，压电陶瓷相应地产生振动并发出超声波，但这种振动不会像电路一样立即停止，它在阻尼层的帮助下逐渐趋于平静下来，在主要振动之后趋于静化。主振动结束与静止状态之间的时间段称为振铃时间。振铃时间会影响盲区的范围，以收发器为例，我们利用输入信号和反射波之间的时差来测量待检测物体的距离。当振铃时间过长，导致反射信号与振铃时间重叠时，信号解释将受到影响，如图9所示。

图9 盲区大小对信号判别示意图