一種新型柔性壓電超聲換能器設計方案

超聲換能器是一種能將高頻電能轉化為機械能的一種裝置。目前的超聲換能器發(fā)展迅速，基于 MEMS 工藝，采用微電子和微機械加工技術制作出來的新型超聲換能器具有體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高等特點，應用的范圍也更加廣泛。

超聲換能器一般分為壓電式和電容式換能器兩種類型。一般使用功率放大器驅動，壓電式超聲換能器是通過材料的壓電效應將電信號轉換為機械能(即超聲波)再傳遞出去;電容式超聲換能器是一種靜電式換能器，它的膜片依靠靜電吸引力推動發(fā)聲，產(chǎn)生超聲波。這兩者在研制和應用上都具有各自的特點和優(yōu)勢，發(fā)展迅速。

本文基于壓電材料 PZT 設計了一種新型柔性壓電超聲換能器，能夠將電能轉變?yōu)闄C械振動，從而產(chǎn)生超聲波。并對柔性壓電超聲換能器進行了水下超聲發(fā)射實驗。

實驗設備：示波器(KEYSIGHT-DSOX3054A)、信號發(fā)生器(AgilentE4432B)、功率放大器(ATA-4011)和高精度水聽器(RESON-TC4038)

實驗內容：

通過步進電機控制實現(xiàn)測試夾持平臺在 X、Y 和 Z 軸的上的位移。信號發(fā)生器和功率放大器作為激勵端，給柔性壓電超聲換能器一個激勵的正弦信號。固定位置的水聽器用于水下接收柔性壓電超聲換能器發(fā)射出來的超聲波，并通過示波器反饋到主機，進行采集數(shù)據(jù)。

本次測試首先采用頻率為 321.15kHz(通過阻抗分析儀先前在水中測得的器件諧振頻率)幅值為 10V 正弦電壓作為柔性壓電超聲換能器工作的激勵信號。控制水聽器與柔性壓電超聲換能器的距離為 5cm(由于設備自身裝配的關系，水聽器與待測器件的最小距離為 5cm)，并且保證水聽器的接收端對準待測器件的中心位置。測試的結果如圖所示，黑色的波形是信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形，藍色的波形是水聽器接收到的波形。從圖中可以看出，水聽器接收到的超聲信號電壓峰峰值為31mV。但是在實驗測試中，在不改變水聽器和柔性壓電超聲換能器的相對位置和激勵電壓幅值的情況下，反復改變正弦激勵的頻率時，發(fā)現(xiàn)在頻率為 357kHz 時，水聽器接收到的超聲信號強度最大。

為相同距離下頻率為 357kHz 幅值為 10V 的正弦激勵信號下水聽器接收到的超聲信號波形。從圖中可以看出，水聽器接收到的電壓峰峰值為 64.3mV，大于在頻率 321.15kHz 下測得的 31mV。

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審核編輯：湯梓紅