压电换能器

仪器五 压电换能器

（一）原理：

一八八零年居里兄弟发现了某些晶体的压电现象，即某些晶体在结构上具有一定的不对称性，当它在一定的方向上受到电压的作用时，便可产生形变；反过来若将晶体在同样方向上使其产生机械形变时，则在对应的方向上产生一个电压。反转所加的应力方向，则产生的电荷符号也相反。这即是所谓的“正压电效应”（机械能转换为电能）和“逆压电效应”（电能转换成机械能）。利用这些效应，制成了超声换能器。首先由一系列的电路产生高频电脉冲，去激发压电晶体，使之产生机械波，从而推动模型介质向外辐射超声波。接收换能器与此相反，在模型介质中的超声波的推动下，换能器发生机械振动并转换成电磁讯号，经放大处理后进行显示或记录。

通常我们把换能器也称为“探头”，相对于实际的应用，发射“探头”即相当于震源，而接收“探头”则相当于拾震器或检波器。

晶体的排列有一定的方向性，一个晶体的坐标为光轴（Z），压电轴（X）和机械轴（Y）。当由机械作用在压电轴（极轴）的两端时，产生最大电荷，因此我们制作压电晶片时，所切的平面即要垂直于压电轴。如图一：

当我们在压电晶体片上施加交流电场时，电场的方向与压电轴一致，晶体将按电场的相位交替地以同样的周期压缩、伸长，即弹性振动，当电场的频率与晶片的振动固有频率相等时，其振幅达最大值。

如果我们忽略横向压缩引起的横向振动，即当晶片的厚度大大小于面积时，其基本振动固有频率可近似为

图一 压电石英片内各轴的取向

fn=

1112hρ

式中h为晶片厚度（cm），ρ晶片密度（g／cm3）,C11相当于该种振动的形式和取向的弹性模量（达因／cm，1达因=10牛顿）如石英ρ=2.65克/厘米，C11=86.05×10达因/厘米，fn的单位为Hz。

若我们需激发横向剪切振动时，可利用沿Y轴取向的晶片就可达到目的，加于晶片表面的电场垂直于晶片的压电轴，则仅能激发剪切形变Xy。

图二 压电晶体在激发电极间取向

压电晶体的等效电路，由电阻、电容、电感组成，用其代替石英晶片分析问题。理论的计算，可以说明，如图三所示的电路表示晶体的振动情况是正确的。

图三 压电石英的等效电路

目前我们大量采用的换能器是由锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）制成的。其机械品质因素Qm（即谐振时由于材料的内摩擦而产生的机械损耗，压电元件振动时克服摩擦而消耗能量，Qm与机械损耗成反比）一般可在50～300之间，居里点在300℃～400℃之间。机电耦合系数K是反映材料性能的重要参数之一，它表示压电材料的机械能与电能的相互耦合效应，其定义为

K2=通过逆压电效应而转换的机械能/输入的电能

或 K2=通过正压电效应而转换的电能/输入的机械能

由于压电元件的机械能与其形状及振动方式有关，因此不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。

C1

C2

LRC

2

-5

3

10

2

压电材料的介电常数、介质损耗、弹性常数、机械品质因数、压电常数、机械耦合系数等对换能器的发射功率、接收灵敏度、谐振频率、阻抗等重要性能指标有着直接关系。

压电换能器的主要性能指标有工作频率和频宽、指向性、阻抗、发射功率和效率、发射灵敏度及接收灵敏度和振幅特性等。

换能器的工作频率影响着其它性能指标的变化，在使用中我们要根据不同的需要来选择换能器的频率。对于发射换能器，一般工作在其谐振基频左右，以获得较满意的波形和效率；而对接收换能器则要求有较宽的频带和较低的噪声；指向性是换能器的重要指标，它直接影响实验的作用距离及定向精度；发射换能器相当于一输入阻抗，可由阻抗电桥测得，接收换能器等效于输出阻抗，其要与发射机的输出回路及接收机的输入电路相匹配（一般在几欧至几千欧）；功率是发射换能器在单位时间内向介质声场辐射多少能量的物理量，功率越大，讯号传得越远。

（二）结构：

我们大部分使用的厂家生产的换能器为夹心式压电换能器。其结构示意如图四：

图四 夹心振子结构示意图

我们称这种在陶瓷片两侧加金属块的圆柱体为“夹心振子”，其厚度（包括金属柱）为基波的半波长。换能器的整体结构如图五。

图五 夹心换能器结构示意图

内六角螺丝

弹簧垫平垫配重块绝缘套压电片电极片压电片螺丝辐射体

在两陶瓷片之间夹一电极，陶瓷片上侧的金属块称为配重块，下侧的金属块称为辐射块，上下用螺丝拧紧。如采用并联结构，则压电陶瓷接触配重块及辐射块两侧均为负极，接触电极一面均为正极，辐射体用铝轻金属，配重块用45#钢。

图六所示为夹心振子的单轴辐射特性图。曲线A表示应力或应变，在节点处有极大值，

当负载质量相同时，振幅可以曲线B表示；密度不同时，振幅如曲线C变化，此时振幅的极大值出现在小密度材料的一侧。可是辐射功率在两个振动面上分布不对称，配重侧产生的声能大大减少，而在辐射面上产生的声能相应增加，从而基本上实现了单面辐射。 其它各种类型的压电换能器还有许多，如横波换能器、抗压换能器、弯曲式换能器、增压式换能器、高频换能器、碗型聚焦换能器、球型换能器等等，这不一一列举。 杆状换能器是一种结构简单，容易自制的换能器，可以得到波形简单，延续时间短的子波，是一种宽带窄脉冲的换能器，尤其应用于超声地震模型实验中，以便更好地分辨各类震相。其结构如图七所示。杆状换能器制作工艺很简单，用环氧树脂将两薄铜片粘结在陶瓷晶片（锆钛酸铅压电陶瓷）的两个镀银面上，胶干后，再将黄铜棒与其粘结起来作为背衬，焊接好电源引线即可。这里选黄铜棒，是因其声阻抗与锆钛酸铅的声阻抗接近，声

图七 杆状换能器结构及波形

脉冲形状最简单。但这种换能器也存在发射功率小、接收灵敏度不够高等缺点。

图六 夹心振子单轴辐射特性示意图

（三）换能器特性测定简介：

换能器的特性主要指其指向性、阻抗、固有频率、压电参量等。

1. 指向性：如图八在一二维半圆的均匀介质模型上，把发射换能器放在圆心部位，把接收

图八 换能器的指向性测定

换能器放在按一定分度的圆周测点上，观测各点震相的震幅，将记录数据绘制在坐标上，按照最大响应的声功率的一半（或0.707）求出发射换能器的指向角（开角）。对于接收换能器可用同样的方法测定。

2. 阻抗：串联谐振法是阻抗测试简便易行的方法。原理如图九，信号发生器的交变信号经1∶1变压器加在电阻R（几百Ω至十几ＫΩ）和待测的换能器串联的电路上，毫伏表起电压指示作用。调节信号发生器的信号频率，使毫伏表的指针达到极小值，记下此值，

图九 串联谐振电路

并保持不变。用标准电阻箱代替换能器，改变其阻值，使毫伏表指针达到同样极小值，此时电阻箱的阻值即近似等于换能器的阻抗。

3. 固有频率：常用方法为电桥法，其原理如图十所示。信号发生器的交变信号经变压器加至电桥 a、c 端，R1，R2为标准电阻，可取R1=R2，R3、C1为标准电阻箱和电容箱，b、d 跨接的毫伏表作为指示用。在某一频率下，调节电阻箱和电容箱，可使毫伏表指针达极小值，记录下此频率下的1/R及1/C，改变至另一频率，重复上述的过程，得到另一组1/R

信号 发射换能器

发射点

接收换能器测点

和1/C，多次重复，即可作出频率与1/R的曲线，其1/R取极大值时所对应的频率值，即为换能器的谐振频率f0,与其对应的1/R0，1/C0，为此时换能器的电导及电纳值。

图十 电桥法测固有频率

在实验室也可用扫频仪、数字频率计进行测量，可从扫频仪屏幕上直接观测到压电陶瓷换能器的整个频谱特性，用扫频仪的手控扫描，可由数字频率计显示任意频谱特性曲线上一点的频率数值。

图十一 数字频率计测量频谱特性

换能器的研究是一门十分广阔而又深奥的科学，在此仅是一点粗浅的介绍，使我们有一点初步的认识。

信号