超声波换能器有压电陶瓷换能器和磁致伸缩换能器两种类型应用于功率超声应用。压电换能器利用材料的压电特性将电能直接转换为机械能。磁致伸缩换能器利用材料的磁致伸缩特性将磁场中的能量转换为机械能。磁场由缠绕在磁致伸缩材料周围的金属丝线圈提供。两种类型的换能器都有优点和缺点。

01两种类型的换能器介绍

压电换能器的心脏是单层或双层厚的压电陶瓷，通常夹在电极之间的压电陶瓷材料（通常为锆钛酸铅（PZT）），为电接触提供附着点。陶瓷组件通过高强度，飞机质量的螺栓在金属块（一种铝和一种钢）之间压缩至已知的压缩程度。当通过电极在陶瓷上施加电压时，陶瓷由于其晶格结构的变化而膨胀或收缩（取决于极性）。这种物理位移导致声波传播到应用中。

压电陶瓷换能器

磁致伸缩换能器由大量镍（或其他磁致伸缩材料）板或叠片组成，这些板或叠片与每个层压板的一个边缘平行排列，每个层压板的边缘连接到处理罐的底部或要振动的其他表面。线圈绕磁致伸缩材料放置。当通过电线线圈提供电流时，会产生磁场（就像大功率电线一样）。该磁场使磁致伸缩材料收缩或伸长，从而将声波引入应用中。

磁致伸缩换能器

02发挥效用的方式

两种换能器设计均通过快速振荡安装在其上的超声振动膜来产生超声活动。但是，每个设计以不同的方式执行此操作。

磁致伸缩换能器实质上是由重镍或合金芯制成的电磁体，其上缠绕有导线。当电流通过电线产生脉冲时，磁芯将以与超声波发生器的输出频率匹配的频率振动，从而使超声波设备发挥功用。

磁致伸缩换能器内部结构

压电换能器是由锆钛酸铅之类的压电材料制成的。锆钛酸铅是一种常见的压电材料，当提供适当的频率和电压时会相应地膨胀和收缩。与磁致伸缩换能器的50-60％的电效率相比，压电陶瓷换能器可提供95％+的电效率。

锆钛酸铅压电陶瓷片

03可靠性

磁致伸缩超声发生器在如此高的温度下工作，以至于这些系统通常需要大量的额外冷却，例如专用于冷却发生器的空调设备。过多的热量可能导致系统中某些组件过早损坏，因此需要空调或其他特殊的冷却方法，以将组件保持在可接受的工作温度范围内。此外，为了克服这些问题，大多数磁致伸缩系统使用了能够承受这些高工作温度的更昂贵的大型电子组件，因此，发电机外壳明显更大。

经过适当设计的超声波压电系统是高度可靠的电子设备。与磁致伸缩设计相比，其运行温度低。发电机相对较小，重量轻，不需要空调或过度冷却。

04频率范围

选择某个超声系统时，超声工作频率可能是最重要的考虑因素。每个频率都有其独特的特性。典型的超声频率范围为20至200 kHz。

为磁致伸缩系统选择超声波频率很容易，因为它的选择非常有限。由于磁致伸缩换能器的物理尺寸限制（频率取决于换能器的长度，而更高频率的换能器的长度需要越来越短的长度），其固有地受限于以低于约30 kHz的频率工作。

压电换能器在此范围内不受频率限制。制造商可以选择合适的压电设计，并通过利用主谐振频率的谐波倍数在整个超声范围内以选定的输出频率驱动它。从可用频率的角度来看，这使压电换能器成为更加通用的选择。

不同频率的压电换能器

05声音噪音

典型的成年人可以听到大约18 kHz的声音。由于磁致伸缩系统的工作频率限制在18 kHz至约30 kHz，因此它们的第一个次谐波（工作频率的1/2）始终在人的可听范围内。这意味着，由于在超声频率的第一子谐波中存在高能量，磁致伸缩系统在人耳上通常看起来可能非常响亮。

压电换能器通常使用的40 kHz能量在20 kHz处具有其第一子谐波，该谐波高于正常成人的听力极限。二次谐波处于可听范围内（在10 kHz时），但是与第一次谐波相比，该谐波中的能量非常低，因此声音级别不高。简而言之，这意味着将磁致伸缩系统设置在85 db的水平以下可能不经济，根据OSHA标准，在该水平以上需要听力保护。通过适当的设计和隔音，可以轻松地将更高频率的压电设备置于OSHA限制之下。

06能源效率

压电换能器非常高效，因为一步就将电能直接转换成机械能。将功率直接施加到压电活性陶瓷会导致其改变形状并产生声波。由于内部摩擦和热量，陶瓷中的能量损失通常小于5％。这意味着传递到换能器的功率的多达95％用于清洁。用于驱动压电换能器的现代超声波发生器的效率通常超过75％，使整个系统的效率达到70％或更高。

磁致伸缩换能器的设计导致它的效率较低。磁致伸缩系统依靠电能到磁能然后再从磁能到机械的双重转换来产生声波。与压电系统相比，磁致伸缩换能器将需要更多的电能来产生相同数量的超声波振动作用。由于线圈加热过程中损失的能量以及磁滞现象的影响，磁性系统的效率通常不到50％。在当今不断增加的能源成本中，不可低估对大型磁致伸缩系统运行成本的影响。

07总结

压电超声换能器是可靠，高效的设备，可以放心地用于所有功率超声应用。关于压电换能器可靠性的争论，赞成采用磁致伸缩技术的换能器的观点是基于历史信息，该历史信息现在已经过时，并且在很大程度上是不准确的。压电换能器比其磁致伸缩对应器能够提供更大范围的频率和波形特性以及更高的电转换效率。鉴于当今的先进技术，压电换能器是一个不错的选择。

压电陶瓷换能器