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压电超声换能器的应用与发展
摘要:压电换能器是超声技术的主要部件,其种类多,用途及发展前景广。该文回顾了超声换能器的发展历程,概括总结了压电超声换能器的分类和应用,分析了压电超声换能器的发展趋势。大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化是当前的发展方向。
超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。最早的超声换能器是P1郎之万(P1Langevin)在1917年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料,用两块钢板在两侧夹紧而成的。1933年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器,强度高、稳定性好、功率容量大,迅速取代了当时的郎之万换能器。到了50年代,由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功,使郎之万型超声换能器再度兴起。目前压电超声的应用范围很广,且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件,国内外均大力研究,近年来取得了很多成就。本文将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。
压电超声换能器的种类
压电超声换能器的种类很多,按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等;按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等;按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等;按压电转换方式分为发射型(电2声转换)、接收型(声2电转换)、发射2接收复合型等。
压电换能器的应用
压电换能器的应用十分广泛,它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等;按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等;按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等;按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。
(1)压电陶瓷变压器压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动,通过逆压电效应使其产生振动,振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分,输出部分再通过正压电效应产生电荷,实现压电体的电能2机械能2电能的两次变换,在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比,这具有体积小,质量轻,功率密度高,效率高,耐击穿,耐高温,不怕燃烧,无电磁干扰和电磁噪声,且结构简单、便于制作、易批量生产,在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。(2)超声马达超声马达是把定子作为换能器,利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动,然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量,带动转子转动。超声马达体积小,力矩大,分辨率高,结构简单,直接驱动,无制动机构,无轴承机构,这些优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。
(3)超声波清洗超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应,对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用,同时能促进清洗液与污物发生化学反应,达到清洗物件的目的。清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10～500kHz,一般多为20～50kHz。随着频率的增加,可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。在小型化方面,也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动的。超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。
(4)超声焊接超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动,通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大,所以会产生局部高温使塑料熔化,在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位,另外,还节约了塑料制品昂贵的模具费,缩短了加工时间,提高了生产效率,有经济、快速和可靠等特点。
(5)超声加工把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上,就能加工出与工具相同的形状。加工时需在15～40kHz的频率下,产生15～40Lm的振幅。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击,破坏超声辐射部位,使材料破碎而达到去除材料的目的。超声加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外,在普通切削工具上加超声波振动时,也可起到提高精度和效率的作用。
(6)超声减肥利用超声波的空化效应和微机械振动,将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外,达到减肥、塑形的目的。这是国际上90年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocchi首次将超声去脂用