超声波换能器是一种将能量从一种形式转换为另一种形式的装置，具体而言，是在电能与超声波频率下的声能之间进行转换——超声波频率高于人类听觉范围（通常高于20 kHz）。简而言之，它是一种可以产生和接收人类听不见的声波的设备。

1. 分类

超声波换能器根据其具体应用、材料、频率、功率和形状进行分类。基于应用的广泛分类包括：

• 超声波清洗换能器：设计用于通过超声波空化作用去除表面污染物。
• 超声波焊接换能器：通过施加高频振动来连接材料，产生热量并导致熔合。
• 超声波美容换能器：用于美容程序，如皮肤清洁和增强产品渗透。
• 超声波雾化换能器：为加湿或吸入设备制造精细的雾气。
• 超声波振动换能器：利用超声波振动进行各种应用，包括材料处理和筛分。
• 超声波细胞破碎换能器：用于生物和化学研究中的细胞裂解，释放细胞内物质。

另一种分类方法是基于所使用的压电陶瓷材料：

• PZT4系列：通常以黑色芯片为特征。
• PZT8系列：通常以黄色芯片为标识。

基于频率的分类也很常见：

• 低频系列：范围从17到23 kHz。
• 中频系列：从25到28 kHz。
• 高频系列：从33到60 kHz。
• 超高频系列：范围从68到200 kHz。

基于功率的分类包括：

• 50W系列：可能包括60W换能器。
• 100W系列：涵盖80W及其他类似功率等级。
• 其他非常规功率：具有非标准功率输出的换能器。

最后，换能器可以根据其物理形状进行分类：

• 直型：具有圆柱形或矩形形状的换能器。
• 喇叭形：具有锥形形状以放大超声波振动的换能器。

2. 命名方法

超声波换能器通常使用字母和数字的组合来指定关键特征。一种常见的命名约定如下，以北京超声的假设示例为例：

示例：BJ-18 50D-35HN PZT8

组件	描述	示例
BJ	企业代码	BJ
C	应用，”清洗”	C
18	频率（单位：KHz）	18
50	功率（单位：瓦特）	50
D	压电陶瓷数量	D
35	压电陶瓷直径	35
H	换能器形状	H
N	特殊功能，”无孔”	N
PZT8	压电陶瓷类型	PZT8

这种详细的代码允许精确识别换能器的特性。请注意，具体的命名约定可能因制造商而异。

3. 工作原理

超声波换能器的核心功能是在电能和声能之间进行转换。这种转换过程依赖于压电效应。以下是详细说明：

压电元件：换能器的核心是压电元件，由PZT（锆钛酸铅）等材料制成。当施加交变电场时，压电材料会膨胀和收缩。

声波产生：压电元件的膨胀和收缩产生机械压力波，即声波。

方向控制：为了将声波聚焦在特定方向，换能器的设计至关重要。

• 背衬层：该层通常由高密度吸声材料（如含钨聚合物）制成，可阻止声音向相反方向传播。背衬层可通过精密设计成特定形状，以确保声波被完全吸收。
• 匹配层：该层通常是一层或多层具有中间声阻抗的材料，位于压电元件与声波传播介质之间。它通过减少反射来最大化声能传递，类似于玻璃上的抗反射涂层。

通过控制这些元件，换能器能有效地将电能转换为聚焦的超声波，然后再转换回电能。

4. 压电超声换能器的粘接工艺

粘接工艺对压电超声换能器的性能和寿命至关重要。以下是关键步骤和注意事项：

步骤	描述	重要性
胶粘剂选择	选择固化收缩率低、热膨胀系数低的胶粘剂，以最大程度减少对压电元件的应力。环氧树脂胶粘剂（A+B型）是常用选择。	减少应力，提高换能器可靠性。
表面处理	对粘接表面进行喷砂处理以增加粘接强度。然后用丙酮或酒精清洁表面。	确保压电元件与换能器本体之间牢固粘接。
对位校正	采用钉固工艺粘接时，确保垂直校正。这可以防止粘接过程中压电元件承受不均匀压力。	确保压电元件性能均匀。
预应力加载	在固化过程中以精确的一致性施加受控的预应力。这有助于保持所需的机械和电气特性，以获得最佳声学性能。	提高长期稳定性和转换效率。
阻抗控制	在粘接过程中实施阻抗控制，以最小化换能器阻抗并增强电声转换。	优化能量传递和整体换能器效率。
阻抗测试	固化后进行阻抗测试，以验证粘接的一致性和完整性，确保所有连接部件负载能量均匀。	保证换能器性能一致，并最小化潜在的性能缺陷。
布线与绝缘	使用柔性电极线和安全可靠的焊接方法。加强绝缘以防止电气短路。	防止机械故障和电气故障。
绝缘测试	布线后进行绝缘测试，以防止任何电气短路或损坏的风险。	确保换能器的安全性和可靠性。
调试	在热水（40-60°C）中调试机器，并在运行期间保持温度低于80°C。	最小化与高工作温度相关的风险。

5. 频率选择

选择合适的操作频率取决于具体的应用以及待处理材料或物体的特性。

频率范围	特点	典型应用
低频（17-23 kHz）	产生较大的空化气泡；对重污垢和耐用物体更有效。	磁性材料行业、车辆维修、纺织工业。
中频（25-28 kHz）	在清洁能力和表面敏感性之间取得平衡；对中等污垢有效。	大多数机械加工、电镀、食品工业。
高频（33-60 kHz）	产生较小的空化气泡；非常适合精细清洁精密零件和表面。	精密零件、玻璃、镜片、电子元件、电路板。
超高频（68-200 kHz）	产生最小的空化气泡，物理冲击低，清洁度极高。	高灵敏度材料、微流控和生物医学应用。

总而言之，低频更适合去除大颗粒污染物，而高频则更适用于精密清洗。

超声波换能器是功能多样的设备，因其能将电能转换为机械振动，反之亦然，而拥有广泛的应用领域。了解不同的分类、命名规范、工作原理、粘接工艺以及频率选择标准，对于为特定应用选择和使用正确的换能器至关重要。压电材料的使用，结合精密的设计和粘接技术，能够高效生成并操控超声波，使得这些换能器在众多行业中具有不可估量的价值。