超聲換能器是一種能將高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種裝置。目前的超聲換能器發(fā)展迅速，基于 MEMS 工藝，采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制作出來的新型超聲換能器具有體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高等特點(diǎn)，應(yīng)用的范圍也更加廣泛。

超聲換能器一般分為壓電式和電容式換能器兩種類型。一般使用功率放大器驅(qū)動，壓電式超聲換能器是通過材料的壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(即超聲波)再傳遞出去;電容式超聲換能器是一種靜電式換能器，它的膜片依靠靜電吸引力推動發(fā)聲，產(chǎn)生超聲波。這兩者在研制和應(yīng)用上都具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，發(fā)展迅速。

本文基于壓電材料 PZT 設(shè)計(jì)了一種新型柔性壓電超聲換能器，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波。并對柔性壓電超聲換能器進(jìn)行了水下超聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：示波器(KEYSIGHT-DSOX3054A)、信號發(fā)生器(AgilentE4432B)、功率放大器(ATA-4011)和高精度水聽器(RESON-TC4038)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

通過步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)測試夾持平臺在 X、Y 和 Z 軸的上的位移。信號發(fā)生器和功率放大器作為激勵(lì)端，給柔性壓電超聲換能器一個(gè)激勵(lì)的正弦信號。固定位置的水聽器用于水下接收柔性壓電超聲換能器發(fā)射出來的超聲波，并通過示波器反饋到主機(jī)，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。

本次測試首先采用頻率為 321.15kHz(通過阻抗分析儀先前在水中測得的器件諧振頻率)幅值為 10V 正弦電壓作為柔性壓電超聲換能器工作的激勵(lì)信號。控制水聽器與柔性壓電超聲換能器的距離為 5cm(由于設(shè)備自身裝配的關(guān)系，水聽器與待測器件的最小距離為 5cm)，并且保證水聽器的接收端對準(zhǔn)待測器件的中心位置。測試的結(jié)果如圖所示，黑色的波形是信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形，藍(lán)色的波形是水聽器接收到的波形。從圖中可以看出，水聽器接收到的超聲信號電壓峰峰值為31mV。但是在實(shí)驗(yàn)測試中，在不改變水聽器和柔性壓電超聲換能器的相對位置和激勵(lì)電壓幅值的情況下，反復(fù)改變正弦激勵(lì)的頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)在頻率為 357kHz 時(shí)，水聽器接收到的超聲信號強(qiáng)度最大。

為相同距離下頻率為 357kHz 幅值為 10V 的正弦激勵(lì)信號下水聽器接收到的超聲信號波形。從圖中可以看出，水聽器接收到的電壓峰峰值為 64.3mV，大于在頻率 321.15kHz 下測得的 31mV。

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審核編輯：湯梓紅