超ちょう声こえ换能器き

用よう于医学いがく影像えいぞう的てき线阵超ちょう声こえ换能器き

超ちょう声こえ换能器き（Ultrasonic transducer）是ぜ在ざい超ちょう声こえ波は频率范围内ない，实现声ごえ能のう和わ电能相互そうご转换的てき换能器き，主要しゅよう分ぶん为三さん类：发射器き、接收せっしゅう器き和かず收おさむ发两用よう型がた换能器き。用もちい来らい发射超ちょう声こえ波は的てき换能器き称しょう为发射しゃ器き，当とう换能器き处于发射状じょう态时，将はた电能转换为机械能，再さい转换为声能のう；用よう来らい接收せっしゅう声ごえ波なみ的てき换能器き称しょう为接收せっしゅう器き，当とう换能器き处于接收せっしゅう状じょう态时，将はた声こえ能のう转换为机械能，再さい转换为电能のう；在ざい有ゆう些情况下，换能器き既すんで可用かよう作さく发射器き，又また可用かよう作さく接收せっしゅう器き，称しょう为收发两用よう型がた换能器き。它是超ちょう声こえ技わざ术的核心かくしん内容ないよう和わ关键技わざ术之一いち，广泛应用于无损检测、医学いがく影像えいぞう、超ちょう声こえ显微镜、指ゆび纹识别及物もの联网等とう领域。

与あずか雷かみなり达、声こえ纳类似，超ちょう声こえ换能器き多用たよう于利用りよう回かい波は信号しんごう评估目め标物体ぶったい的てき系けい统，通つう过测量りょう超ちょう声こえ信号しんごう收おさむ发的时间间隔，可か以确定じょう目め标物体ぶったい与あずか换能器き间的距离。被ひ动式超ちょう声こえ传感器き实际上じょう就是检测超ちょう声こえ波は信号しんごう的てき麦むぎ克かつ风。按照实现超ちょう声こえ换能器き机つくえ电转换的物理ぶつり效こう应的不同ふどう，可か将しょう换能器き分ぶん为电动式、电磁式しき、磁致伸しん缩式、压电式しき和わ电致伸しん缩式等とう。目前もくぜん理り论研究けんきゅう和わ实际应用最さい为广泛的是ぜ压电超ちょう声こえ换能器き。

通常つうじょう发射换能器き工作こうさく频率等とう于其本身ほんみ的てき谐振基もと频以获得最さい佳けい工作こうさく状じょう态。被ひ动式接收せっしゅう换能器き的てき工作こうさく频率为一较宽频带，同どう时要求ようきゅう换能器き自身じしん的てき谐振基もと频比频带的てき最高さいこう频率高だか，以保证换能のう器き有ゆう平坦へいたん的てき接收せっしゅう响应。

从维度ど上じょう来らい讲，换能器き通常つうじょう包含ほうがん单个或ある多た个阵元もと，从而有ゆう单阵元もと探さがせ头、线阵探さがせ头、面めん阵探头和环阵探さがせ头等。单阵元もと超ちょう声こえ换能器き相しょう对容易ようい制せい造づくり，但ただし必须通どおり过高线性精度せいど的てき机つくえ械驱动以获得超ちょう声こえ图像，这限制せい了りょう它的刷新さっしん频率和成かずなり像ぞう质量。超ちょう声こえ换能器き阵可以通过电子こ控ひかえ制せい，从而快速かいそく获得多た维度的てき信しん息いき，结合相あい控ひかえ阵技わざ术，可か以控制せい超ちょう声こえ波は束たば的てき偏へん转和聚焦，进一いち步ほ提ひさげ高だか分ぶん辨べん率りつ、灵敏度ど和わ输出功こう率りつ。

未み经极化か的てき压电陶すえ瓷中的てき电轴取と向こう杂乱，不具ふぐ压电效こう应。经过极化工こう序じょ处理后きさき才能さいのう显示压电效こう应。极化过程就是在ざい压电陶すえ瓷上加か一いち个强直流ちょくりゅう电场，使つかい陶すえ瓷中的てき电轴沿电场方向ほうこう取と向こう排列はいれつ。

发展

1880年ねん，皮かわ埃ほこり尔·居きょ里さと和わ雅まさ克かつ·居きょ里さと兄弟きょうだい发现电气石せき具有ぐゆう压电效こう应。第だい一次世界大战期间，法ほう国こく物理ぶつり学がく家か朗ろう之の万まん于1916年ねん研けん制せい成功せいこう了りょう第だい一个真正实用的压电换能器，并将其应用よう于潜艇てい的てき探さがせ测中。同どう时，由ゆかり于压电换能のう器き作さく为高频声源げん的てき出で现，使つかい得とく高だか频声的てき研究けんきゅう成なり为现实，一いち个重要じゅうよう的てき声こえ学がく分ぶん支ささえ——超ちょう声こえ学がく也迅速そく发展起おこり来らい，并得到いた了りょう越来ごえく越えつ多た的てき重じゅう视。直ちょく到いた现在，朗ろう之の万型换能器仍在得到广泛的应用，如功こう率りつ超ちょう声こえ和わ水声すいせい工程こうてい之これ中ちゅう。

自じ20世せい纪20年代ねんだい起おこり，陆续发现了りょう各かく种具有ぐゆう磁致伸しん缩效こう应的材料ざいりょう。一类是金属磁致伸缩材料，如镍、铁钴合金ごうきん、铝铁合金ごうきん、镍铁合金ごうきん、镍钴合金ごうきん等とう。这类材料ざいりょう的てき特とく点てん是ぜ具有ぐゆう高だか机つくえ械强度きょうど、高こう居きょ里さと点てん及工作こうさく性能せいのう稳定。声こえ呐设备中常つね采さい用よう这种材料ざいりょう制せい成なり的てき换能器き。另一类是铁氧体たい磁致伸しん缩材料りょう，如镍锌铁氧体、镍铜钴铁氧体、镍锌钴铁氧体。这种材料ざいりょう最大さいだい优点是ぜ涡流和かず磁致损耗小しょう，灵敏度ど高だか，可用かよう来らい做水みず听器和わ工作こうさく频率要求ようきゅう较高的てき水声すいせい换能器き。但ただし随ずい着ぎPZT材料ざいりょう的てき广泛应用，磁致伸しん缩材料りょう几乎被ひ取と代だい。因よし为功率りつ要求ようきゅう不ふ大だい时，压电换能器き具有ぐゆう结构简单、性能せいのう稳定及成本ほん低廉ていれん等とう优点。

随ずい着ぎ超ちょう声こえ技わざ术的发展，气体中ちゅう的てき超ちょう声こえ技わざ术应用よう越来ごえく越えつ广。空そら气耦合ごう式しき超ちょう声こえ换能器き（气介超ちょう声こえ换能器き）也受到了りょう人じん们的普遍ふへん重じゅう视。传统的てき压电换能器き和わ磁致伸しん缩换能のう器き因いん为阻抗こう匹ひき配はい差さ，发射效率こうりつ低ひく的てき问题，不ふ太ふとし适合气介超ちょう声こえ的てき应用。微ほろ机つくえ械超声ごえ换能器き由よし于具有ぐゆう频率高だか，机つくえ械阻抗こう低てい，从而有ゆう较好的てき耦合效果こうか，在ざい气体中ちゅう的てき超ちょう声こえ检测等とう技わざ术中获得了りょう广泛的てき应用。

超ちょう声こえ换能器き具有ぐゆう一定いってい的てき方向ほうこう特性とくせい。对发射しゃ换能器き而言其方向ほうこう特性とくせい曲きょく线决定てい了りょう发射声ごえ能のう的てき集中しゅうちゅう程度ていど；对接收せっしゅう换能器き而言，方向ほうこう特性とくせい曲きょく线的尖とんが锐程度ていど决定了りょう探索たんさく空そら间方向ほうこう角かく的てき范围。超ちょう声こえ换能器き的てき方向ほうこう特性とくせい也直接ちょくせつ关系到いた超ちょう声こえ设备的てき作用さよう距离。

换能器き的てき分ぶん类

磁致伸しん缩换能のう器き

磁致伸しん缩换能のう器き是ぜ最早もはや被ひ采さい用よう的てき声こえ学がく换能器き类型之の一いち，后きさき来らい压电材料ざいりょう的てき发现，尤ゆう其是PZT材料ざいりょう的てき广泛应用，磁致伸しん缩材料りょう几乎被ひ取と代だい。因よし为功率りつ要求ようきゅう不ふ大だい时，压电换能器き具有ぐゆう结构简单、性能せいのう稳定及成本ほん低廉ていれん等とう优点。 随ずい着ぎ现代声ごえ纳技术的发展和水わすい声ごえ学がく应用范围的てき不断ふだん扩大，研究けんきゅう新型しんがた换能器き材料ざいりょう及新型がた水声すいせい换能器き或ある基もと阵显得とく尤ゆう为重要じゅうよう。20世せい纪70年代ねんだい初期しょき发现的てき稀まれ土ど超ちょう磁致伸しん缩材料りょう，由ゆかり于其卓越たくえつ的てき性能せいのう以及在ざい远程声ごえ纳和其它低てい频水声ごえ系けい统中的てき适用性せい，引起了りょう广泛重じゅう视，成なり为目前ぜん换能器き领域内ない的てき热点方向ほうこう之の一いち。

压电超ちょう声こえ换能器き

压电换能器き是ぜ应用最さい为广泛的一种声电转换元件，它的最さい简单形式けいしき就是一个两面镀有电极的、圆形或ある方形ほうけい的てき压电陶すえ瓷薄片へん。当とう把わ一定频率和功率的交流信号加到两个电极上时以后，压电陶すえ瓷片的てき厚あつ度たび随ずい着ぎ交变电场而变化か，此时相しょう对于外部がいぶ介かい质而言げん就是一个活塞振动的简单声源。由よし于其结构简单，易えき于成形せいけい和わ加工かこう，广泛应用于医学がく超ちょう声こえ探さがせ头、工こう业无损检测的超ちょう声こえ探さがせ头当中ちゅう。厚あつ度たび振ふ动压电换能のう器き，基き于板的てき厚あつ度たび伸しん缩振动模式しき，在ざい超ちょう声こえ检测、超ちょう声こえ诊断等とう领域广泛应用。压电陶すえ瓷材料りょう的てき不足ふそく之の处在于脆性せい大だい、抗こう张强度きょうど低てい、大面おおも积成型せいけい困こま难以及超薄うす高だか频换能のう器き不易ふえき加工かこう。这一方面压电薄膜如PVDF比ひ压电陶すえ瓷较有ゆう优势。

微ほろ机つくえ械超声ごえ换能器き

微ほろ机つくえ械超声ごえ换能器き（Micromachined Ultrasonic Transducer, MUT）是ぜ基もと于薄板ばん翘曲振ふ动的换能器き，根ね据すえ驱动机つくえ制せい的てき不同ふどう，分ふん为压电式微しきび机つくえ械超声ごえ换能器き（piezoelectric-MUT, pMUT），与あずか电容式微しきび机つくえ械超声ごえ换能器き（capacitive-MUT, cMUT）。因よし为微机つくえ械超声ごえ换能器き通どおり过MEMS工こう艺制せい备，从而与あずか集成しゅうせい电路有ゆう较大的てき工こう艺兼容よう性せい，因いん而是微ほろ型かた化か超ちょう声こえ系けい统最佳けい的てき实现方案ほうあん，可か以实现大规模的てき制せい备和封ふう装そう，应用在ざい指ゆび纹识别、空そら气测距、导管超ちょう声こえ及便携式超ちょう声こえ等とう领域。

叉また指ゆび换能器き

叉また指ゆび换能器き（Interdigital Transducer, IDT）是ぜ在ざい压电基もと片上かたがみ用よう真空しんくう蒸ふけ发淀积一层金属きんぞく薄膜うすまく，再さい用よう光こう刻こく方法ほうほう得え到いた两个互相间隔形がた似に叉また指ゆび的てき梳くしけず形かたち电极，制せい成なり用よう来らい激げき发和接收せっしゅう声ごえ表面ひょうめん波は的てき换能器き。IDT电声转换损耗低てい，设计灵活且制造づくり工こう艺简单，容易ようい工作こうさく在ざい0.5-3 GHz的てき频率范围内ない，已やめ成なり为激发与检测声ごえ表面ひょうめん波は的てき主要しゅよう技わざ术，成なり为声表面ひょうめん波なみ器き件けん和わ传感器き的てき基本きほん组成部分ぶぶん，得とく到いた广泛应用。

应用

超ちょう声こえ应用覆くつがえ盖了非常ひじょう广的频率范围。通常つうじょう，超ちょう声こえ波は被ひ定てい义为超ちょう过可听频率りつ的てき声こえ波は，但ただし也有やゆう一定いってい应用工作こうさく在ざい20 kHzきろへるつ以下いか。在ざい一いち部分ぶぶん声こえ纳系けい统中，频率选定在ざい数すう千赫兹以减少衰减。百赫兹的声波在海洋声学中用于全球层析成像；40 kHzきろへるつ的てき超ちょう声こえ往往おうおう被ひ用よう于物体ぶったい检测，这主要よう是ぜ受声波は衰おとろえ减限制せい的てき检测范围与频率决定的てき分ぶん辨べん率りつ之の间的折衷せっちゅう；对于传统医い疗检测，超ちょう声こえ波は的てき频率范围处于2 MHz - 20 MHz之の间；兆赫兹的声波一般用于金属物体的超声探伤。在ざい固体こたい材料ざいりょう的てき检测中ちゅう，横波よこなみ与あずか纵波都と有用ゆうよう到いた；超ちょう声こえ显微镜对于分析ぶんせき微ほろ电子器き件けん非常ひじょう有用ゆうよう，频率通常つうじょう在ざい100 MHz – 1 GHz间，使つかい得とく空そら间分辨べん率りつ接近せっきん光学こうがく显微镜。对于1 GHz以上いじょう更さら高だか的てき频率，有ゆう时被用よう于材料りょう表ひょう征せい和わ科学かがく研究けんきゅう领域；15 kHzきろへるつ – 100 kHzきろへるつ的てき振ふ动系统也多用たよう于传统的功こう率りつ超ちょう声こえ应用，如机械加工かこう、焊接和かず清きよし洁；也有やゆう超ちょう声こえ清きよし洁器工作こうさく在ざい兆ちょう赫兹，用よう于硅晶あきら圆与电子设备的てき清きよし洁。此外，更さら高だか的てき频率上じょう也探索たんさく了りょう超ちょう声こえ焊接的てき应用，用よう于引线键合あい与あずか塑料焊接，从而解かい决集成しゅうせい电路小型こがた化か的てき瓶びん颈。诸如滤波器き、传感器き和わ驱动器き等とう，多た覆くつがえ盖20 kHzきろへるつ – GHz，取と决于换能器き的てき结构和わ应用。