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超聲波換能器是一種電聲轉(zhuǎn)換器件，可以將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)檢測、無損檢測、清洗和測量等領(lǐng)域。
超聲波換能器由壓電材料構(gòu)成，壓電材料是一類具有壓電效應(yīng)的材料，它可以在外界施加壓力或電場的情況下發(fā)生形變或產(chǎn)生電荷。常見的壓電材料有氣壓石英、壓電陶瓷等。
超聲波換能器的工作原理可以分為兩個(gè)步驟：激勵(lì)和接收。
首先是激勵(lì)過程。當(dāng)外界施加在超聲波換能器上的電場發(fā)生變化時(shí)，壓電材料內(nèi)部的極化向極性方向移動(dòng)，并且由于電荷不均，壓電材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力通過壓電材料的機(jī)械耦合系數(shù)將壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)以超聲波的形式傳播到工作介質(zhì)中。
接下來是接收過程。當(dāng)超聲波遇到工作介質(zhì)后，其能量將被吸收或反射。如果超聲波被吸收，那么它將以聲能的形式儲(chǔ)存在工作介質(zhì)中。如果超聲波被反射，那么它將回到超聲波換能器的表面。在這種情況下，壓電材料將開始振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電位變化。這個(gè)電位變化通過超聲波換能器的電極與外部電路連接，被放大和處理，之后轉(zhuǎn)換為可觀察的電信號。
超聲波換能器的工作頻率范圍通常在幾百千赫茲到幾百兆赫茲之間。不同的應(yīng)用需要不同的工作頻率范圍。例如，醫(yī)學(xué)影像中的超聲波頻率通常在幾兆赫茲到幾十兆赫茲之間。
超聲波換能器的性能取決于多個(gè)因素，包括壓電材料的特性、超聲波換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作條件。例如，壓電材料的機(jī)械耦合系數(shù)和壓電系數(shù)將影響超聲波換能器的靈敏度和產(chǎn)生的超聲波功率。超聲波換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如振動(dòng)腔體形狀和電極布局，將影響其工作頻率和方向性。
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