一、超声波换能器的基本原理

超声波换能器，运用两者之间谐振频率同样的压电陶瓷片的压电效应，将电能转换为机械振动。一般一般由超声波发生器形成超声波，经超声波换能器把它转化成机械振动，再经过超声波导出来设备、超声波接收装置便能形成超声波。因此，做为一种能量转换器件，超声波换能器的作用是把输入电功率转化成机械功率（即超声波）再传送出来，并且本身则耗费非常少中的一部分功率。

超声波换能器的构造主要有机壳、声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出来电缆、接收器等几绝大多数构成。在其中，压电陶瓷片圆盘换能器具备大部分换能器同样的功效，主要运用于发射并接受超声波；超声波接收器在压电陶瓷片圆盘换能器的上边，主要是由引出来电缆、换能器、金属圆环和橡胶垫圈构成，接受压电陶瓷片圆盘换能器频带外所产生的多普勒回拨信号。

换能器是一种将能量从一种形式转换为另一种形式的电子设备。将能量从一种形式转换为另一种形式的过程称为转导。

超声波换能器将电源的电输出转换为振动输出。这种机电转换可以通过压电陶瓷（如下图）或磁致伸缩材料来完成。压电陶瓷是换能器的核心。

传感器要求将取决于应用。许多要求会相互冲突，并会被赋予不同的优先级。因此，没有一套指导方针可以涵盖所有要求，有许多不同的方法可以实现相同的目标。

从分析上讲，只能以一般方式预测换能器性能。这是因为压电陶瓷的特性通常高度依赖于工作条件，包括温度、电场强度、静态压缩预应力、动态应力、负载循环次数和时间。这些操作条件可以相互影响，并且这些条件的影响通常是非线性的。此外，压电陶瓷的许多特性是正交各向异性的，并且可以在单个压电陶瓷之间以及在压电陶瓷批次之间变化。此外，在各种部件界面处（例如，在螺纹处）的相互作用可能难以表征并且用于空气冷却的对流传热系数只能近似地估计。因此，大部分设计过程都涉及实验测试。

超声波换能器工作原理

超声波换能器按功能可分为发射器、接收器和收发器，如图1所示。 以换能器工作在40 kHz为例，发射器的谐振频率（fr）设计在接近工作频率的频率应用的电信号，如图2所示，以优化发射效率。相反，将接收器的反谐振频率（fa）设计为接近接收的超声波频率，如图3所示，以优化接收效率。收发器的工作频率设计在收发器的谐振频率(fr)和反谐振频率(fa)之间，如图4所示。换能器的工作频率越高，分辨率越好，但时间越短探测范围。

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匹配层进行匹配。常见物质的声速和声阻抗特性如下

以超声波空气换能器为例，压电陶瓷的声阻抗约为 35 MRayl (106 kg/m2s)，而空气的声阻抗低至 414 Rayl (kg/m2s) 左右。因此，声匹配层成为超声换能器的必要组成部分，置于压电陶瓷与空气之间，使两者的声阻抗相匹配，使超声能量有效传输到空气中。

超声波空气换能器匹配层的理想声阻抗值为 Rayl，约为 0.122 MRayl，但很难找到声阻抗低于 1 MRayl 且具有耐用性的材料。目前，常用的声匹配层材料是一种由聚合物基体和中空粉末制成的复合材料，以实现较低的声阻抗和合理的可靠性。根据应用，超声波换能器可用于一发一收模式或一发一收模式。应该注意的是，超声换能器固有地具有振铃特性。人们在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。一般采用阻尼层，让超声波换能器快速恢复到静止状态，以减少振铃。

超声波换能器的结构

该超声压电换能器包括外壳：匹配层或声窗、压电陶瓷、背衬和出线电缆，包括钹阵列接收器，由引出线、8-16个钹换能器、金属环和橡胶垫圈组成；钹阵列接收器位于碟片压电换能器3上方；以压电陶瓷圆盘换能器作为基本的超声波压电换能器，发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于盘片压电换能器上，作为超声波接收器，用于接收盘片换能器频带外的多普勒回波信号。适用于超声波设备。

二、超声波换能器的应用

超声波换能器具备非常广泛应用，按应用的行业分类，可以分为工业生产、现代农业、道路运输、医疗设备及国防军事等；按完成的作用区划，可以分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作场地区划，可以分为液体、气体、生物体等；按特性区划，可以分为功率超声波、检测超声波、超声波显像等。