超聲波換能器概述

超聲波換能器是一種能量轉換器件，它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去。這種電能到機械能的轉換，可以通過壓電陶瓷或磁致伸縮材料來實現。

超聲波換能器的製作工藝取決於具體的應用，許多工藝可能會出現相互衝突，需要給予不同的優先級。因此，沒有一套指導方針可以涵蓋所有要求，為了達到既定的目標，有許多不同的方法。

Langevin型超聲波換能器（d33）

01Langevin換能器

幾乎所有的功率超聲波換能器都是Langevin型，即一個或多個壓電陶瓷，在前驅動器和後驅動器之間進行機械地壓縮運動（即產生預應力）。壓電陶瓷通常有兩種工作模式：33或31類型的壓電陶瓷。

33類型和31類型陶瓷區別

用於功率換能器的陶瓷通常分為兩類。

33型：33型的陶瓷振動方向與電場方向平行。陶瓷通常是薄圓盤，換能器使用多個圓盤(通常至少一對，但有時多達三對或四對，取決於功率處理要求)，這是為最常見的類型。31型：31型的陶瓷振動的方向垂直於電場。通常使用單管型陶瓷，此類型通常僅在特殊情況下使用。

無外殼20 kHz工業換能器

0233模式

在33模式中，壓電陶瓷與施加的電場方向平行。壓電陶瓷成圓盤形，並且壓電陶瓷都成對出現（通常不超過三對）。

優點

在匹配的PZT4並聯模式換能器中，在給定的驅動電場下，應變和應力較小，但與匹配的PZT4後置模式換能器相比，帶寬會增加2.6倍，功率會增加1.7倍。在高功率換能器中使用並聯而串聯模式的優點包括：更高的帶寬，對於相同的功率有更高的效率，這種模式下的允許偏置應力也更大。

相對軸向振幅

馮·米塞斯應力

0331模式

以下是在31模式下使用壓電陶瓷的優點和缺點。這些可能並不完全適用於特定的設計或應用。

優勢

由於設計可能涉及較少的部件（僅有單個陶瓷和一個或兩個電極），因此製造成本可能較低。通常，31設計將具有較少的陶瓷界面，因此來自這些界面的機械損失更低。缺點

與33型相比，「需要大約5倍的陶瓷才能保持相同的輸出功率「。電極（內壁和外壁）的成本高於圓盤（33型）。製造成本可能較高，因為長圓筒的產量可能低於圓盤（33型）。對於整體尺寸相同的陶瓷堆，串聯諧振(fs)與並聯諧振(fp)的頻率間隔可能較低。如果陶瓷管超過節點，則換能器可能難以安裝在節點處。在31模式下只能承受相當低的壓縮預應力，這意味著受預應力限制的動態陶瓷應變可能低於預期，因此輸出幅值也可能低於預期。

建議

除特殊情況外，可以使用33模式代替31模式來使用壓電陶瓷。