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1、Transducer Needs For Macrosonics强声换能器原文作者：J.A.Gallego-Jurez 逸水宇 翻译强声学是用于高强度的声波能量在均匀介质中产生恒定声场的术语。强声学最实际的应用工作是在超声波频段，一般在20到100千赫兹的范围内，声强约0.1W/cm2到几W/cm2。强声学主要应用是热，空化，搅拌，流，界面不稳定性，摩擦，扩散和机械断裂。用于强声学的换能器，工作频率从10到100 kHz的，电源容量从几百瓦到几千瓦，振动幅度也比较大。目前，大多数强声换能器都是压电式结构和夹层布置（即夹心式换能器）。强声换能器要想在在工业过程中成功应用，主要问题是能否获得均匀的

2、振幅分布和能否改进设计与计算方法。本文主要回顾用于强声学的基本压电式换能器，并讨论了不同应用的具体需求。4.1引言声波的主要应用分别是处理高强度和低强度声能两方面。强声学是通过高强声能在均与介质产生恒定声场。关于强声学的工作大部分是在超声频段进行的，频率范围一般从20kHz到100kKz之间，声强一般从0.1W/cm2 到几KW/cm2 。使用超声能够在微小位移和小的质点振速情况下产生很大的加速度。高强度声波和超声波产生的结果主要归因于有限振幅变化和辐射压力，这些基本现象导致了一系列效应，其中有热，空化，搅拌，流，界面不稳定性，摩擦，扩散和机械断裂。这些效应可以用来增强很多过程，比如加工、焊接

3、、金属成型、固体中粉末的致密；清洗、乳化、雾化液体；加速化学反应、脱气、去泡、干燥、气溶胶集聚等等。上述很多强声学的过程在工业中已经被采用，但很多过程还停在实验阶段，并没有商业化。换能器和发电技术限制了这些应用在这个方向的发展。目前，大部分大功率声学换能器和超声换能器都是基于经典的夹层式换能器。能否很好的应用，主要考虑的方面是提高功率和效率，改进设计和算法，扩大工作区域，拓展带宽。本文主要回顾用于强声学的基本换能器，并讨论了不同应用的具体需求。4.2强声学换能器近十年来，大部分强声学换能器都是压电式的，因此，本文 描述就集中于压电式换能器。然而，很多人也对近些年来新的并且有前景的磁致伸缩（稀土

4、化合物）式换能器很感兴趣，因为磁致伸缩材料在大功率换能器中展现出很大的潜力。【4.1】强声学换能器都是窄带的，共振峰处于10k到100kHz之间，功率一般处于100瓦到几千瓦之间，都有比较大的振幅。4.2.1换能器材料换能器是一种典型的以压电元件（或磁致伸缩元件）为核心材料的复合设备，换能器能够把物理尺寸的响应转变成电场（或磁场）。现代换能器压电材料一般使用的是压电陶瓷。压电陶瓷拥有最高的机电转换效率，在强声换能器中性能最好。【4.2】 目前，最合适应用最广的陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT），不同的国家有不同的商业产品。PZT陶瓷的最大优势在于其有很强的压电效应和很高的居里点，并且通过改变细微的成

5、分变化可以产生范围很广的性能应用。钛酸铅和锆酸铅混合形成的固溶体，大约含有等摩尔浓度的钛和锆。这种组成的优势在于混合物中富含菱形的锆晶体和方形的对称的钛晶体。介电常数顺度和机电耦合达到相界最大值。改变微小的成分组成，比如加入钙、锶、钡、铌等元素，压电陶瓷的性能就会改变。钙、锶、钡等元素换成铅，把锡换成锆，就能降低居里点并提高介电常数（压电式PZT-4）。替代的元素原子价态越低或越高，变化越明显。如果电子供给体掺杂锆钛酸铅，比如用三价铁离子替换四价钛离子或四价锆离子，就成为PZT-8型陶瓷。这种陶瓷降低了压电耦合，有更低的介电系数，更低的机械顺度，更低的介电损耗。【4.3】PZT-4和PZT-8

6、这两种组成非常适用于大功率换能器。两者都处在四方形的相界中，并且，在高驱动电平下后者的电介质损耗和弹性损耗远低于前者。（如图4.1）。换能器在高Q值或者大振幅情况下使用时时内部损耗的影响巨大。高Q值时主要是机械损失，低Q值时主要是介电损失。例如，假设10kHz频率时，传送到机械和声学元件上的单位体积上的功率是25W/cm3,考虑Q=3和Q=30两种Q值，表4.1给出了几种不同压电换能器的耗散功率值【4.3】，从表中肯以看出PZT-8优势明显。表4.1：Q=3和Q=30时不同压电换能器的耗散损失 P=25W/cm3，f=10kHz图4.1：几种压电陶瓷的介电损失和机械损失换能器内部压电元件机械损

7、耗会造成过热，如果过度使用的话，会降低换能器的性能，甚至会去极化。前文已经讲到，换能器是由有源的压电元件和其余无源材料复合而成的。强声换能器的无源材料一般使用金属。选择不同的金属会影响到换能器的性能和使用效率。大功率换能器使用的无源材料最好的是钛合金，特别是Ti6Al4V合金。其余使用较多的金属有硬铝合金、青铜铝合金、海军黄铜、工具钢等，表4.2给出不同材料构成的强盛换能器的性能。表4.2 强声换能器使用不同材料的性能比较4.2.2 夹心式换能器用于大功率应用的最典型的压电式换能器是有名的夹心式换能器，不禁让人们想起郎之万换能器。【4.4】.郎之万换能器是陶瓷第一次用于窄带低频应用，这种换能器

8、由简单的压电块或者压电管组成，然而由于陶瓷的拉伸性很低以及低频需要很大尺寸的单块陶瓷，这种平面布置不是很实用，尤其对于大功率换能器来说。由于这些原因，人们重新研究了郎之万换能器使之适应新的需求。夹心式换能器是一种半波长谐振长距扩展结构。它的简化版包括一片或者两片夹在两块相同的金属中的圆盘压电陶瓷（如图4.2）。当成对使用时，压电陶瓷会在相反的方向极化，这两极被一个与高压铅相连的铜铍合金的电极分隔开来，因此，这个电极处于节点上。金属端部的压电元件和增加拉伸长度元件之间的耦合，是通过预拉伸处于轴向的一个螺栓装置实现的。图4.2 预应力夹心换能器基本结构有的换能器设计中，中心的螺栓换成了在边上的好几

9、个小的螺栓，这样就不用再陶瓷和金属片中钻孔了【4.5】，这种设计典型的预应力大约达到300kg/cm2.显然用来做螺栓的金属必须有很高的疲劳强度和较低的机械损耗。实际上，夹心式换能器并不是像想象的那样对称。大部分情况下，输出端和后端用不同密度的金属制成，可以增加散热面的振动幅度，这就可以增加载荷。另外一些设计要求把作为支撑点的节点放在某个金属部分。这些不同设计方法都是不对称的结构，示意图见图4.3【4.6】。图4.3 非对称夹心式换能器空载时，夹心式换能器会在一个稍低于压电陶瓷振动频率的频率上共振，共振的频率值取决于压电陶瓷尺寸和金属部分和陶瓷的声学特征。使用的陶瓷一般是圆板或者圆环，其直径小

10、于伸展模式的四分之一波长，这样可以避免横向耦合。上文已经提到，PZT-4型和PZT-8型压电陶瓷换能器能够充分满足大功率换能器的要求。也就是说，它们在高电平驱动下，机电耦合因子比较大、居里点较高、介电损耗和机械损耗较低，这些参数有着很好的时间和温度稳定性。这些金属片一般含有硬铝合金、不锈钢或者钛合金。而预应力螺栓是用钛合金或者特种钢制成的。4.2.3.换能器在固体中的应用大功率声波和超声波在固体方面的应用有加工、焊接、金属成型等。这些应用都是基于质点运动的机械效应。夹心式换能器也能用在这些应用中，但还需要一种在工作端能产生位移放大的特殊形状的传动装置，这种传动装置通常由半波谐振元件制成，叫做机

11、械放大器或者叫变幅杆。变幅杆一般是阶梯形的或者助兴的或者指数曲线形或者悬垂面形（图4.4）。变幅杆必须设计成能和驱动换能器共振。图4.5是一种典型的配有一个指数曲线形变幅杆的换能器示意图。这种换能器是否能够成功取决于能否在变幅杆尖端获得合适的振幅，而所需振幅的获得取决于变幅杆的形状和大小。一个变幅杆一般很难同时获得合适的形状和增益，因此，一般需要多个变幅杆才能获得合适的放大级（如图4.6）。嵌在换能器和工作端变幅杆之间的变幅杆叫做增益变幅杆。实际工业应用中，变速杆的圆柱形或锥形的直段都是能够快速设计、制造并且容易改良的。在这些产品中，最受欢迎也是最有效的变幅杆要属阶梯型变幅杆了，这种变幅杆的简

12、化版包括两个不同直径的四分之一波长的圆柱体（图4.5）。阶梯型变幅杆的放大系数等于较大横截面与较小横截面的面积之比。这个比率也是给定末端直径时可以从单个变幅杆获得的最大值【4.7】。如图4.4所变幅杆的横截面尺寸小于四分之一波长或者四分之三波长，这是为了能够得到纯粹的振动的伸展模式。然而，应用上需要尺寸更大或者横截面积更大的变幅杆，这时，一个主要的问题就是能否在辐射面获得均匀的振幅分布，而避免径向或者横向的振动模态。为此，大的变幅杆都是由和纵向运动平行的若干个槽构成（如图4.7）。这样，大的变幅杆能够看成是由众多横截面均小于四分之一波长的小的变幅杆组成的阵列，这些槽有一个作用就是利于散热。组合

13、的大的变幅杆可能有不同的形状，而且设计过程中必须考虑到，加在小变幅杆中的桥接部分是有附加质量的，这个附加质量能够反映小变幅杆的机械阻抗【4.8】。近年来，有人提出一些控制振动模态的方法【4.9】。 图4.4基本变幅杆形状和放大效应 图4.5典型强声换能器结构示意图图4.6 中间增幅变幅杆对运动振幅的影响图4.7大横截面变幅杆4.2.4流体中换能器的应用上面所说的夹心式换能器可以再液体中直接应用，比如超声清洗。特别是在水下换能器中，单个或者组合型夹心式换能器被广泛应用。组合型夹心式换能器把多个亚电圆盘组合到一起（图4.8）。另外通过把输出端设计成锥形增加了工作面面积，这样，很容易使换能器和负载匹

14、配。大部分声呐是基于组合型夹心式换能器设计，并且由众多阵元组合成阵，以便得到所需相应的指向性和总功率。图4.8 组合型夹心式换能器因为低的特定的声阻抗和媒介的吸收强烈，在气体中产生超声波能量比较难。因此，为了获得有效的超声传输并产生较高的声压级，就必须实现气体和换能器的阻抗匹配，必须产生大的振动幅度，必须获得较高的指向性或者聚焦波束。然而现实中很少有能够在空气中使用的压电换能器并且即使有也没有一款能满足上述所有要求。近年来，出现了一种新的阶梯板换能器，这种换能器能达到上述所有先决条件【4.10】并且得到了发展。这种换能器由一块较大的阶梯形的弯曲振动圆盘组成，这个圆盘由一个位于中央的压电激活的振

15、动器驱动（图4.9）。所用的振动器是由一个夹心式换能器和一个类似于应用在固体中的变幅杆组成。盘的大面积的表面能够增加辐射阻抗，能够为系统提供与介质相匹配的阻抗。尽管是弯曲振动，但圆盘的这种特殊形状能够产生活塞式辐射。众所周知，平板辐射在弯曲振动模态时指向性很差，是因为其相位相互抵消。设计这样一个辐射器的步骤如下：在声轴上交替位移，表面元在波节圆两面反向振动，尺寸为辐射声波的半波长。在整个波束中，辐射声波相位一致。根据如上步骤，如果对圆盘进行足够的改进，可以得到任何声场分布。聚焦换能器也被生产出来了【4.11】，达到七个波节圆的解体圆盘振动也被设计并被生产出来了，最新版本的这种换能器，在20kH

16、z的频带上，效率提高80%，波束宽（3分贝）1.5度，功率能到400瓦。图4.9 阶梯圆盘机载换能器的指向性辐射体和相应指向性模型根据同样的用于修改空气中弯曲振动盘辐射模式的原理，通过使用特殊的相位延迟液体或者螺旋形波导，有人设计并制造出出一种新的水下投影仪【4.12】。4.3 换能器的应用正如上文所述，强声学应用于工业的关键在于换能器技术和克服声源和传播过程中的能量耦合问题。换能器普遍存在的主要问题都牵涉到功率限制、换能器效率，作业面积和设计方法【4.13】。在设计方法上，这几年已经取得长足发展。而功率限制和效率问题取决于换能器的材料和结构，这方面可以寄希望于有热处理性能的钛合金新材料。为了

17、在较大的作业面积内获得均匀振幅分布，就得在换能器的结构和振动模态方面多下功夫【4.9】。4.3.1强声学换能器在固体中的应用强声学在工业中最广泛的应用大概是固体焊接、塑料焊接以及金属焊接了。强声学焊接是一种低热且又快又清洁的过程。塑料焊接的频率一般位于10-40kHz，强度一般是200-1000W/cm2，商业塑料焊接机主要频率处于20kHz，输出功率在100-3000W。由于有较低的税率，换能器的热限制已经不那么重要了，难度在于在大的变幅杆情况下，同时在不同的焊点获得均匀的振动。目前有人正在研究如何克服上述缺点。金属焊接需要很高的能量密度，达到每平方厘米好几个千瓦。实际中的焊接机既有小功率的

18、微型机，也有好几千瓦的大功率机器。焊接机使用的是夹心式-变幅杆类型的多振动系统，关于这种机器，有人研制了能焊接10毫米厚金属盘的机型，有19kHz和27kHz两种类型【1.14】。对于微电子金属丝的链接和小电子零件的焊接，一般使用弯曲谐振尖端作为结合工具的标准化换能器，频率范围一般是40-60kHz。对于金属切割，可以使用相类似的系统。最近，针对这种应用，有人提出了一种新的螺栓夹弯曲振动模态换能器【4.15】。金属成型，特别是拔丝和拔管，也是一种工业应用发展。超声波振动能够应用于拔丝相同的或者说横向方向。换能器用的是标准化结构，但是换能器必须适合不同的特殊成型操作，比如对于拔丝，换能器和变幅杆

19、在纵向方向被穿孔。频率在20-30 kHz，功率从0.4到14kW。使用工艺加工硬而脆的材料已经发展了好多年了，目前，超声振动专门用于协助车削和钻削过程，以及增加切割速率和延长工具使用寿命。需要的超声波频率一般是20 kHz，振动幅度从10到40微米。超声波振动粉机频繁用于获得致密和均匀的金属粉末或者陶瓷粉末。标准的夹心式-变幅杆换能器可以用于不同类型的振动模具和冲床。纵向、径向和耦合的模型广泛使用。这些机器使用的频率在20-30 kHz之间，功率达到1-3kW【4.14】。4.3.2强声学换能器在液体中的应用强声学最古老最广泛的工业应用要属数超声清洗了，与超声清洗相关的现象是空化，需要的功率

20、达到5-25W每公升，目前，使用最多的频率是25,40和50kHz。在25 kHz频率时，清洗效率更高，因为此时气泡溃灭造成的振动强度更高，但是在40或者50 kHz时清理细节效果要好。不久前，大家发展了一种叫做微声学技术的新技术，可以在400 kHz频率用来清洗印刷电路板表面。这种新的方法不依赖空化产生的较高的瞬间力，而依赖于声学阵列产生的快速变化的压力梯度，所用阵列能够产生很窄的聚焦声场。微声学技术最大压力小于50磅每平方英寸，且其位移是空化产生振幅的十分之一【4.16】。用于超声清洗的换能器一般是夹心式的，超声清洗诸如金属、玻璃、塑料等声反射材料效果很好，而对于橡胶或织物等声吸收材料的清洗效果会差一些。液体雾化也是强声学应用之一，而且应用广泛。频率范围很广，从用于