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超声波换能器工作原理

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置**是超声波传感器，习惯上称为**，或者超声探头。 
??超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
??超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括；
??（1）工作频率。工作频率**是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量**大，灵敏度也**高。
??（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

??（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

超声波的清洗作用是一个十分复杂的过程，在这里只做一简单介绍。超声波作用包括超声波本身具有的能量作用，空穴破坏时放出的能量作用以及超声波对媒液的搅拌流动作用等。

    1、超声波的能量作用：超声波具有很高的能量，它在传媒液体中传播时，把能量传递给传媒质点，传媒质点再将能量传递到清洗对象物表面并造成污垢解离分散。声波是一种纵波，即传媒质点的振动方向与波的传播方向一致。在纵波传播过程中，传媒质点运动造成质点分布不匀，出现疏密不同的区域，在质点分布稀疏区域声波形成负声压，在分布致密区域声波形成正声压，并形成负声压、正声压的交替连续变化，这种变化不仅使传媒质点获得一定动能而且获得一定加速度。高频超声波的能量作用是异常巨大的。在具有能量的传媒质点与污垢粒子相互作用时，把能量传递给污垢并造成它们的解离分散。

    2、空穴破坏时释放的能量作用：超声波与通常声波一样在媒液中传播是直线运动方式。运动速度与媒液有关，在不同媒液中传播速度不同，超声波的频率比通常的声波频率高，所以波长短，能量高。
在媒液中直线前进的超声波，到达与其它物质的界面时，要发生透射和反射运动，发生透射与反射的程度是由构成界面物质的声阻抗率决定的，声阻抗率是传声媒质某一给定表面的声压与质点速度之比。各种传声媒质都有固定的声阻抗率。当超声波行进到声阻抗率相差很大的两种媒质的界面时，主要发生反射，而在声阻抗率相近的两种媒质的界面上主要发生透射。如当超声波行进到水－空气界面时，由于空气密度远小于水，因此声阻抗率也相差较远，所以此时声波主要发生反射；同样超声波行进到水－钢铁界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相差很大，所以主要也发生反射。而当超声波行进到水－塑料界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相近，所以超声波主要发生透射。反射回来的超声波与前进中的超声波合成后，当每一点的位相差保持稳定不变时，发生共振，而在某些固定位置上相互叠加而加强，媒液在这些位置上容易产生空穴。

    由于超声波以正压和负压重复交替变化的方式向前传播，负压时在媒液中造成微小的真空洞穴，这时溶解在媒液中的气体会很快进入空穴并形成气泡；而在正压阶段，空穴气泡被绝热压缩**被压破，在气泡破裂的瞬间对空穴周围会形成巨大的冲击，使空穴附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压。放出巨大的能量。这种现象在低频率范围的超声波领域激烈地产生。当空穴突然爆破时，能把物体表面的污垢薄膜击破而达到去污的目的。

    当使用的超声波频率在28～100khz范围内时，超声波的几种作用都存在。而空穴消失过程产生的巨大压力作用十分突出。当使用的超声波频率在特高频率范围时，超声波的作用主要是其本身巨大的能量作用，并不产生空穴，但这种巨大的能量对细微污垢的去除清洗作用很大。

    另外超声波不仅有帮助媒液加快溶解污垢的作用，而且也起到搅拌作用，使媒液发生运动，新鲜媒液不断作用于污垢加速溶解。所以超声波强大的冲击力如果作用发挥适当的话，可促使顽固附着的污垢解离，而且清洗力不均匀的情况得以避免。但由于超声波使用过程中存在对清洗对象造成损伤的可能性，所以当清洗对象很脆弱的情况不宜采用超声波清洗。

    洗涤媒液的选择
超声波清洗都是以一定的液体作为媒质的条件下进行的，选择媒液是以能充分发挥超声波的作用达到去污目的为原则的。由于水是产生空穴效果**好的液体，通常用清水作媒液，用量不很大，也不需要采用喷射或搅拌的方法来使水剧烈流动。但由于清水对油性污垢的分散解离能力较差，因此实际上常采用表面活性剂或酸碱水溶液作超声波清洗的媒液。

由于各种亲水性或亲油性有机溶剂产生空穴效果的能力比水差，所以如果用这些有机溶剂作媒液，实际上要靠它们对污垢的溶解分散能力作补充才能有效地去除污垢。而且有机溶剂往往存在易然、易爆和有毒的问题，因此通常总是用水作媒液。

用超声波清洗应注意的问题
在一定条件下用超声波清洗才能过得较好效果，因此需要注意以下问题。

1克服空穴产生的不均匀性：前已述及空穴是沿着**大声压带不均匀地产生的。当清洗对象在洗液中处于静置状态时**会由于空穴产生的不均匀造成清洗的不均匀现象。通常为克服这种现象的发生，常采用以下方法：
①移动清洗对象：当清洗对象在洗槽中移动时，空穴能较均匀地作用于对象的表面**的方法是让清洗对象发生旋转，当物体位于空穴**大声压带垂直相交的平面上清洗效果比较专一。
②改变洗液深度：当洗槽液面上下变动时，空穴**大声压带的位置也发生相应变化可以克服不均匀性。
③形成矩形波形：把几种不同波长的超声波合成在一起，所产生的超声驻波**大声压带范围扩大，可以克服不均性。
④防止共振波的生成：如果使液面与清洗对象表面不相互垂直，可防止在清洗对象表面发生受迫振动并形成共振波。这样，一方面可减少清洗不匀，同时也可避免清洗对象损伤。

2克服由于超声波被反射而造成的效果不均匀性：当超声波反射发生在清洗对象内侧的表面，金属管道的内表面，金属物品深陷处的凹面以及碰到金属网做的清洗物容器时，都会妨碍超声波的透过而造成超声波作用的不均匀，这是超声波清洗中常出现的问题。

3空穴作用造成的清洗对象的损伤：空穴作用有可能使清洗对象损伤，性能变得脆弱。

另外，在用超声波处理锐利的刀具的刀刃、电子机械上用的极薄的金属片时，由于空穴作用造成破损的事情是经常发生的，而且是频率越低的超声波空穴作用强度越大。因此在使用超声波清洗时，对清洗对象的形状、材料的性质都要考虑到。只有选择适当的超声波频率，采用适当的使用方法才能取得好的清洗效果。