压电换能器材料的主要性能参数有：

(1) 压电应变常数

表示当压电晶体受到外界的单位电压时，所产生的应变大小。

(2) 压电电压常数

表示当压电晶体上受到外界单位应力时，所产生的电压梯度大小。这两个参数是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数，参数越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。

(3) 频率常数

压电晶片的固有频率和其厚度乘积是一个常数，称为频率常数N，由此看出晶片厚度与谐振频率成反比，而超声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速 。

压电陶瓷是一种人工焙烧制造的可应用于多领域的多晶材料。通过外加电场和外部施加压力的作用，使材料的外部弹性形变和内部电级化发生相互转换，称为电致伸缩效应。烧结而成的铁电体通过电场的极化处理，让杂乱的内部极化现象变得规律有序，产生压电特性。

钛酸铅（PbTiO₃）的结构呈对称结构分布。在温度高于居里温度（the Curie temperature，即铁电体从铁电结构转变为顺变结构时的临界温度）时，钛酸铅晶体处于一种对称结构，即正方体顺电结构，钛离子此时为于结构的正中心位置，整个晶体此时是没有任何极性的; 当温度低于居里温度时，晶体结构发生变化，处于长方体状态，不再处于对称状态，称为铁电结构。此时，如果有外加电场的作用，晶体就会产生极化现象。

超声技术是一种广泛使用的无损检测技术，它以声学理论为基础，不断应用于电子、通信、医学、生物及物理领域。在现代检测技术中，利用超声技术研制的换能器以其灵敏度高、精度高等优点正在越来越受到人们的关注。

检测过程中常用的换能器有: 压电式换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。最常用的是压电换能器，它的核心部件就是压电晶片。压电晶片可以在压力的作用下发生形变，从而导致晶片本身发生极化，在晶片表面出现正负束缚电荷，此效应为压电效应。并且，压电效应具有可逆性，即对晶片施加电压后会发生形变。在检测过程中，利用超声探头的逆压电效应可以产生超声波，利用压电效应达到接收超声波的目的。

压电陶瓷超声换能器很早就进入了人们的研究视野，它制作方便，可操控强，灵敏度高，机电耦合性好。基于压电陶瓷开发的换能器包括功率超声换能器和检测超声换能器 。

1.探头

压电陶瓷超声换能器是一种电—力—声转换器，是指电信号和声信号通过材料的特性进行能量之间的相互转换。电信号选择是交变信号，实验中采用的是正弦信号。实验中采用最基本的普通直探头进行研究。

2.等效电路图

厚度的伸缩型振动是最常用的振动模式，它是指压电元件沿厚度方向极化，同时它的振动方向也是沿厚度方向。选择这种元件的条件就是元件的直径或边长要大于它厚度的10倍以上。

由于超声技术的非接触性等优点，尝试把压电陶瓷超声换能器应用在液体浓度检测系统当中。系统中的芯片采用的是Spartan 3E系列FPGA。压电陶瓷换能器在其中担当着发射信号和接收信号的重要功能。把换能器产生的一定频率和幅值的超声信号通过发射电路打入液体内部，经过液体对信号的衰减，从接收换能器端可以接收到带有液体浓度信息的信号。再通过声衰减法的分析，有效得出液体的近似浓度。系统的软件设计包括主程序，超声测量程序，脉冲控制程序，脉冲收发程序，ADC采集控制程序以及时钟和报警程序。

实验中可以先对静态液体进行测量，利用超声衰减法，分析接收端收集的信号，进行包络等处理，结合信号传播路径（管道直径）得出浓度信息。再对动态液体进行动态测量，信号传播路径要考虑到液体的流速，计算出大致路径 。

经过对钛酸铅压电陶瓷的理论分析及实际测试之后，基本上可以应用于实验性超声检测。同时，实验验证压电陶瓷在液体浓度测量系统中的应用具有可行性且对液体不具有破坏性。为了进一步达到信号不失真的要求，可以对压电陶瓷添加材料进行改进或选用复合压电材料 。2100433B

前言

第1章 绪论

1.1 超声换能器简介

1.2 超声换能器的主要性能指标

1.3 超声换能器的研究方法

第2章 压电超声换能器

2.1 压电材料和压电效应

2.2 压电陶瓷振子的振动模式

2.3 压电陶瓷振子的谐振特性

2.4 压电陶瓷振子的动态特性及其集中参数等效电路

2.5 压电陶瓷振子的导纳和阻抗特性

2.6 压电陶瓷振子的等效电路

第3章 磁致伸缩超声换能器

3.1 磁致伸缩材料

3.2 磁致伸缩效应

第4章 气介超声换能器

4.1 气介式超声换能器的研究现状

4.2 气介超声换能器的种类

4.3 气介超声换能器的应用

第5章 流体动力型超声换能器

5.1 流体动力型发声器的种类

5.2 流体动力型发声器的现状和展望

第6章 聚焦超声换能器

6.1 超声聚焦系统的基本工作原理

6.2 常用的几种超声聚焦系统的声场计算

第7章 夹心式压电陶瓷超声换能器

7.1 概论

7.2 夹心式压电陶瓷复合换能器的理论分析及设计

第8章 扭转振动超声换能器

8.1 切向极化压电陶瓷细长棒的扭转振动

8.2 切向极化压电陶瓷薄圆环的扭转振动

8.3 切向极化压电陶瓷晶片堆的扭转振动

8.4 夹心式压电陶瓷扭转振动换能器的设计理论

第9章 弯曲振动超声换能器

9.1 叠片式弯曲振动压电陶瓷换能器

9.2 有限宽度矩形板压电陶瓷振子的弯曲振动

9.3 夹心式弯曲振动压电陶瓷超声换能器

9.4 模式转换型弯曲振动超声换能器

第10章 复合振动模式压电超声换能器

1O.1 纵扭复合模式超声振动系统

10.2 夹心式纵弯复合模式超声换能器

10.3 夹心式扭转弯曲复合模式超声换能器

10.4 夹心式模式转换型纵扭复合模式超声换能器

第11章 检测超声换能器

11.1 检测超声探头

11.2 检测超声换能器的一些基本要求

11.3 检测超声换能器的声阻抗匹配以及背衬选择

11.4 检测超声换能器的电匹配

第12章 压电超声换能器的电学及声学匹配

12.1 压电陶瓷超声换能器的动态特性分析

12.2 压电陶瓷超声换能器的电匹配

12.3 压电超声换能器的声学匹配

参考文献

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内容介绍

《压电换能器和换能器阵》(修订版)内容由浅入深，着重阐明压电换能器和换能器阵的基础理论，对换能器和换能器阵中所涉及的重要问题作了重点讨论，并概述了发展动态。全书共十五章，第一章为引言；第二、三、四章为压电换能器的基础知识；第五、六、七、八章介绍了几种常见的典型压电换能器；第九章介绍压电换能器的暂态效应；第十章介绍同种新型换能器；第十一章讨论了压电弹性体的数值分析方法；第十二章介绍了换能器主要参数的测量方法；第十三章为换能器阵的理论基础；第十四、十五章介绍了均匀和非均匀换能器阵；第十六章简要介绍了几种新型换能器阵。