超聲波壓電陶瓷換能器的構(gòu)造

 在加工中使用高強(qiáng)度超聲通常是基于有限振幅壓力變化所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)的應(yīng)用。高強(qiáng)度超聲波產(chǎn)生的重要影響是：熱量，氣蝕，攪動(dòng)，聲流，界面不穩(wěn)定性以及摩擦，擴(kuò)散和機(jī)械破裂。這些效果可用于增強(qiáng)各種過(guò)程，例如機(jī)械加工，焊接，金屬成形和固體中的粉末致密化；清潔，乳化，液體霧化，加速化學(xué)反應(yīng)，脫氣，消泡，干燥，氣溶膠附聚等。

這些過(guò)程中有一定數(shù)量的過(guò)程已經(jīng)在工業(yè)中引入，但是其中許多過(guò)程仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，還沒有進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。這可能是由于與適當(dāng)?shù)某暡òl(fā)電技術(shù)的發(fā)展有關(guān)的問(wèn)題。在用于大型應(yīng)用的超聲換能器中，要考慮的主要點(diǎn)是功率容量，效率，振動(dòng)幅度和要處理的體積。用于大功率超聲應(yīng)用的換能器是工作在10至100 kHz范圍內(nèi)的換能器，數(shù)百瓦至幾千瓦的功率能力以及較大的振動(dòng)幅度。

換能器材料

較為常見的超聲換能器是壓電型的。 因此，我們主要將注意力集中在這種換能器上。 然而，有趣的是指出新的和有希望的磁致伸縮材料（稀土化合物）蕞鑫發(fā)展，這些材料顯示出大功率傳感器的巨大潛力。

換能器通常是復(fù)合設(shè)備，其中芯一般是壓電元件，其響應(yīng)于電場(chǎng)而改變尺寸。 其他無(wú)源組件補(bǔ)充了換能器結(jié)構(gòu)，以改善能量傳遞。 這些部件通常由金屬合金制成。本節(jié)將描述用于大功率換能器的有源和無(wú)源材料的基本特性，特別是壓電陶瓷。

壓電陶瓷

在現(xiàn)代換能器中，通常使用的壓電材料是壓電陶瓷。 可以證明，壓電陶瓷提供蕞高的機(jī)電轉(zhuǎn)換和效率，并且總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于高功率超聲換能器具有有利的特性。

壓電陶瓷是構(gòu)成隨機(jī)定向的鐵電微晶團(tuán)塊的材料，它們通常源自幾種氧化物的固態(tài)反應(yīng)，然后進(jìn)行高溫?zé)?。燒制后，陶瓷是各向同性的，并且是非壓電的，這是由于疇（每個(gè)微晶內(nèi)電偶子具有共同取向的區(qū)域）的隨機(jī)取向和結(jié)構(gòu)所致?？梢酝ㄟ^(guò)化處理將陶瓷材料制成壓電材料，該化處理包括在選定的方向上施加高電場(chǎng)，以將微晶的軸切換到對(duì)稱性允許的那些方向，即接近電場(chǎng)強(qiáng)度。

去除化場(chǎng)后，偶子將無(wú)法輕易返回其原始位置，并且陶瓷現(xiàn)在將具有勇久化狀態(tài)，并且只要其幅度保持在遠(yuǎn)低于所需強(qiáng)度的水平，它將對(duì)施加的電場(chǎng)或機(jī)械壓力做出線性響應(yīng)。切換軸。因此，對(duì)于這些材料，必須進(jìn)行化處理，盡管很明顯，不可能像單晶那樣在場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)碗美的偶對(duì)準(zhǔn)。測(cè)得的化值可以很好地指示出所測(cè)得的偏振態(tài)。

換能器的構(gòu)造

現(xiàn)代功率超聲系統(tǒng)中使用的換能器幾乎毫無(wú)例外地基于預(yù)應(yīng)力壓電設(shè)計(jì)。在這種結(jié)構(gòu)中，將多個(gè)壓電元件（通常為兩個(gè)或四個(gè)）用螺栓固定在一對(duì)金屬端塊之間。壓電元件將是預(yù)化的鈦酸鉛鋯酸鹽組合物，其表現(xiàn)出高活性以及低損耗和老化特性。它們非常適合構(gòu)成告效堅(jiān)固傳感器的基礎(chǔ)。

如果我們考慮化壓電棒的長(zhǎng)度，并用一個(gè)交流電壓驅(qū)動(dòng)它，使其頻率對(duì)應(yīng)于其共振長(zhǎng)度，那么該尺寸將隨施加的電壓而變化。這樣的桿在20kHz的頻率下將具有大約70mm的長(zhǎng)度。由于這些陶瓷的熱容量差且抗張強(qiáng)度低，因此其功率處理能力將較低。為了克服這些固有的弱點(diǎn)，在兩個(gè)聲學(xué)損耗低的金屬端塊之間夾了許多薄元件。為此可以使用鈦或鋁。該組件的設(shè)計(jì)應(yīng)使其在所需的操作頻率下總長(zhǎng)度為半個(gè)波。

下圖說(shuō)明了典型的換能器結(jié)構(gòu)。在半波諧振組件中，兩個(gè)壓電元件位于蕞大應(yīng)力點(diǎn)附近。因?yàn)檫@些元件是預(yù)化的，所以它們可以被布置為使得它們?cè)跈C(jī)械上是輔助的，但是在電氣上是相對(duì)的。此功能使兩個(gè)端塊都處于接地電位。組件通過(guò)高強(qiáng)度螺栓夾緊在一起，以確保陶瓷在傳感器蕞大位移時(shí)處于壓縮狀態(tài)。以這種方式構(gòu)造的換能器可以具有98％的潛在效率，并且在以連續(xù)操作方式使用時(shí)，可以處理500-1000 W左右的功率傳輸。當(dāng)以20 kHz的頻率工作時(shí)，換能器輻射面的蕞大峰峰位移約為15-20微米。