超声换能器(ultrasound transducer)是一种将电能转换为超声波能量的装置。它包含一个发射器和一个接收器,用于发送和接收超声波信号。
在发射器端,超声换能器通过施加电压,使其内部的压电材料(如石英或陶瓷)发生机械振动。这种振动会导致产生超声波波形,通过传感器的形状和电流的频率来调节波形的频率和幅度。
在接收器端,超声换能器将收集到的超声波信号转换为电信号。当超声波波形到达接收器时,压电材料会产生机械振动,将超声波能量转换为电信号。这个电信号可以被放大和处理,然后用于创建图像或进行其他应用。
超声换能器广泛用于医学诊断和成像、工业测量和检测、海洋勘探、无损检测等领域。它们具有高分辨率、无辐射、操作简单等优势,并且能够在不同介质中穿透和传播。
超声换能器是超声波成像系统中的核心部件,它负责将电能转换为超声能量,并将接收到的超声信号转换为电能。
在超声发射时,超声换能器通过电压的激励产生机械振动。超声波发射时,换能器中的压电材料受到电场激励,产生机械振动。压电材料的振动频率和电场的频率相同,从而实现了电能向机械能的转换。机械振动产生的压力波沿着超声波传播路径传播,成为超声波。
在超声接收时,超声换能器起到接收器的作用。接收时,压电材料受到超声波的作用,产生机械振动。机械振动引起压电材料内的电荷分布变化,从而产生电场。通过电极的连接,将换能器上的电场信号传递给电路进行电信号的处理。
换能器的结构通常是由压电材料和金属电极组成。常用的压电材料有铅锆钛酸钡(PZT)、铅锆酸铌铅(PNZT)等。金属电极连接到外部电路,用于提供激励信号或接收超声信号。
超声换能器在超声发射时将电能转换为机械能,产生超声波;在超声接收时将机械振动转换为电能,将接收到的超声信号转换为电信号。这样实现了超声波的发射和接收过程。
超声换能器可以将一种形式的能量转换为另一种形式的能量。其工作原理基于压电效应,当施加外加电压时,压电材料会产生机械变形,从而将电能转化为声能。另一方面,当外界施加压力或震动作用于压电材料时,压电材料会产生电荷分布的变化,从而将声能转换为电能。
具体来说,超声换能器中的压电材料通常采用类似石英、铅锆钰等晶体材料或聚偏氟乙烯(PVDF)等聚合物材料。压电材料被固定在一对电极之间,当外加电压施加在电极上时,会导致材料内部的电荷分布发生变化,从而引起材料的机械变形,产生声波振动。反过来,当超声波通过材料时,会引起材料内的电荷分布的变化,从而在电极上产生电信号。
因此,超声换能器可以将电能转化为声能,或者将声能转化为电能。这使得超声换能器在医疗领域的超声检查、超声造影以及超声清洗等应用中起到了重要的作用。