9、超声换能器原理、设计与应用全解析

超声换能器原理、设计与应用全解析

1. 三端口换能器模型

将相关概念拓展，压电元件可视为一个三端口设备。通过电气端口（跨电极）施加电信号，基于逆压电效应，在两侧的声学端口会出现声脉冲。从物理角度看，晶体沿横向伸缩，使电极面沿着传播轴 z 移动。

这个模型是一种简化表示。隐藏在框图内的等效电路模型由 ABCD 矩阵构成，但这里不详细展示，不过可在相关资料中找到解释。我们无需过于关注这些细节，因为有此三端口模型的功能等效形式，它是后续要介绍的换能器模拟器的核心。关键在于理解如何连接端口。

为使换能器发挥作用，需找到一种方法，将合适形状的电信号高效耦合到端口 3，并最大化且塑造从声学端口 1 发出的压力脉冲。典型超声换能器的结构如图所示，晶体两侧是声学端口。右侧的声学端口 1 处，匹配层能将通常具有高声学阻抗的晶体的声能高效耦合到低声学阻抗的组织中。右侧的红线表示传播轴或 1 z 轴。沿着 -z 轴的背衬的作用是防止端口 2 的信号干扰预期的端口 1 信号，并拓宽带宽。后续会用换能器模拟器更详细地探究这些“附件”的影响。而且，还可以在电气端口连接网络，可通过 ABCD 调谐网络实现。

模拟器背后的一维等效电路换能器在实际预测换能器行为方面表现出色，具有重要的实用价值。

2. 换能器模块

在深入研究换能器的工作原理之前，先回到中心框图。可以看到换能器功能模块的基本组成部分：电信号源 E、换能器的发射部分 GT、散射体 S（这里再次假设为镜子）以及换能器的接收部分 GR。实际上，换能器的接收部分与发射部分相同，这是因为压电效应具有互易性。即进入换能器声学端口的压力脉冲会在电气端口产生电压。

再次说明，电信号