超聲波換能器的結構和工作原理

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　　超聲波換能器可用于水下聲納和空氣中的接近度測量。它使用飛行時間理論(ToF)，即發射的超聲波和來自物體的反射波之間的時間差，來計算超聲波換能器與物體之間的距離。此外，超聲波在單張和多張之間的穿透能量差異可用于雙張檢測，以確定物體是否重疊。通常，對于超聲波檢測，無論固體，液體或粉末如何，都可以通過超聲波換能器檢測物體。被檢測物體的類型和性質不受其形狀、材料、顏色、透明度、硬度等的影響。因此，超聲波換能器如今廣泛應用于水下聲納、停車傳感器、液位傳感器、雙饋檢測和流量計等。

　　1.超聲波換能器的結構

　　如圖1所示，超聲換能器由壓電陶瓷、聲學匹配層和阻尼層組成。壓電陶瓷的主要成分是鈦酸鋯鉛(PZT)，兩側涂有導電層。通過施加高頻交變電壓，壓電陶瓷可以通過反向壓電效應(電能到機械能的轉換)產生高頻振動。高頻振動是聲波的一種。如果該聲波的頻率大于20kHz，那就是超聲波振動。相反，超聲波可以通過使用壓電陶瓷的正壓電效應(機械能到電能)來接收。

圖1 超聲波換能器結構

2.超聲波換能器的原理

　　超聲波換能器按功能可分為發射器、接收器和收發器，如圖2所示。以工作在40kHz的探頭為例，變送器的諧振頻率(fr)設計在接近所施加電信號工作頻率的頻率，如圖3所示，以優化發射效率。相反，設計接近接收端的超聲波頻率的抗諧振頻率(fa)，如圖4所示，以優化接收效率。收發器的工作頻率設計為介于收發器的諧振頻率(fr)和反諧振頻率(fa)之間，如圖5所示。探頭的工作頻率越高，分辨率越高，但檢測范圍越短。

　　圖2 換能器應用示意圖

圖3 變送器設計示意圖

圖4 接收機設計示意圖

圖5 收發機設計示意圖

然而，為了使產生的超聲波有效地從壓電陶瓷傳輸到物體或流體(例如，在空氣或水中)，壓電陶瓷與物體或流體之間的聲阻抗必須通過聲學匹配層進行匹配。常見物質的聲速和聲阻抗特性如下：

　　換能器的必要部分，放置在壓電陶瓷和空氣之間，使兩者的聲阻抗可以匹配，超聲波能量可以有效地傳輸到空氣中。

　　超聲波空氣換能器匹配層的理想聲阻抗值為Rair，約為0.122MRayl，但很難找到聲阻抗低于1MRayl且本質上耐用的材料。目前，聲學匹配層常用的材料是一種由聚合物基體和空心粉末制成的復合材料，以實現具有合理可靠性的較低聲阻抗。根據應用的不同，超聲波換能器可以在一發一收模式或一發一仰回波模式下使用。應該注意的是，超聲波換能器本身就具有振鈴特性。當人們設計用于接近測量的超聲波換能器時，振鈴限制了最小檢測距離。通常，阻尼層用于讓超聲波換能器快速恢復到其靜態狀態，以減少其振鈴。

　　3.如何選擇合適的超聲波換能器

　　超聲波換能器的主要特性包括靈敏度、方向性和盲區，解釋如下：

　　敏感性

　　在了解靈敏度之前，有必要介紹聲壓級(SPL)。

　　聲壓級是相對于參考值的對數刻度測量的有效聲壓，定義為：

　　SPL=20*log(P/預付);測量單位為dB

　　其中P是聲壓，Pref是標準參考聲壓。通常，Pref定義為0.0002ubar(源自人類聽力閾值)。但是，為了方便表示換能器的性能，使用靈敏度來表示接收強度。

　　靈敏度的單位通常是V/Pa或mV/Pa(V：接收電壓，Pa：帕斯卡)。發射強度定義為標準電容式麥克風(S.C.M.)在向超聲波換能器輸入特定頻率和功率信號后，在一定距離處獲得的聲壓，如圖6所示。接收靈敏度被定義為由超聲波換能器發射并由標準電容式麥克風和超聲波換能器接收的固定聲壓，以在一定距離下平行進行測試，如圖7所示。在標準電容式麥克風旁邊，換能器接收到這個聲壓，然后將其轉換為電壓信號，通過比較兩者，可以確定換能器的靈敏度。因此，接收器的輸出電壓可用于確定其靈敏度水平。接收器的輸出電壓越高，靈敏度越高，反之亦然。

圖6 發射機靈敏度測試

圖7 接收機靈敏度測試

　　方向性

　　超聲波換能器的方向性定義為超聲強度在與換能器的特定距離處衰減的角度，相對于主發射方向上定義為零dB的最大強度，如圖8所示。超聲波換能器的方向性角度受超聲波波長和發射表面尺寸的影響。頻率越高，波長越小，方向角越窄;發射面的尺寸越大，指向性角越小。

圖8 方向性示意圖

　　盲區

　　盲區是指超聲換能器的最小檢測距離，影響盲區大小的主要因素是振鈴時間。當換能器接收到特定頻率的電子信號時，壓電陶瓷相應地產生振動并發出超聲波，但這種振動不會像電路一樣立即停止，它在阻尼層的幫助下逐漸趨于平靜下來，在主要振動之后趨于靜化。主振動結束與靜止狀態之間的時間段稱為振鈴時間。振鈴時間會影響盲區的范圍，以收發器為例，我們利用輸入信號和反射波之間的時差來測量待檢測物體的距離。當振鈴時間過長，導致反射信號與振鈴時間重疊時，信號解釋將受到影響，如圖9所示。

圖9 盲區大小對信號判別示意圖