压电超声换能器应用研究进展
       超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件．最早的超声换能器是P ．郎之万(P . Langevin)在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器．1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器．到了50 年代，由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能器再度兴起．目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高．
1 压电超声换能器的种类很多，按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等，按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等，按压电转换方式分为发射型（电一声转换）、接收型（声一电转换）、发射一接收复合型等。
2 压电换能器的应用
压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运翰、生活、医疗及军事等，按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等，按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。
( 1 ）压电陶瓷变压器
压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。与电磁变压器相比，体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生产。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。
( 2 ）超声马达
超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转子转动．超声马达体积小，力矩大，分辨率高，结构简单，直接驱动，无制动机构，无轴承机构。广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。
( 3 ）超声波清洗
超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学反应，达到清洗物件的目的．超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用．
( 4 ）超声焊接
它是利用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，节约塑料制品昂贵的模具费，缩短加工时间，提高生产效率，有经济、快速和可靠等特点。
( 5 ）超声减肥
利用超声波的空化效应和微机械振动，将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外，达到减肥、塑形的目的。这是国际上90 年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocchi 首次将超声去脂用于临床，并获得成功，为整形、美容开创了先河．近10 年来超声去脂技术在国内外得以迅速发展。
( 6）电子血压计
利用压电换能器接收血管的压力，当气囊加压紧压血管时，因外加压力高于血管舒张压力，压电换能器感受不到血管的压力；而当气囊逐渐泄气，压电换能器对血管的压力随之减小到某一数值时，二者的压力达到平衡，此时压电换能器就能感受到血管的压力，该压力即为心脏的收缩压，通过放大器发出指示信号，给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度阁．
       此外，还有超声加工、超声育种、遥测遥控、交通监测、测距、检漏及气体流量检测、机器人成像信息采集等应用领域。
3 压电超声换能器的最新发展
压电超声换能器当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。
3 . 1 大功率换能器
在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域，铌镁酸铅（P MN ）陶瓷是有发展前途的材料．PMN 的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变，迟滞小．大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用．
3 . 2 低压驱动换能器
许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。锆钛酸铅（PZT ）是广泛应用的电声转化材料。在某些情况下（航空航天，便携式装置），使用高压是一种缺陷．此时，大振幅的超声频率必须用低压驱动．减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时，极间距越小，所需电压也越小。多层压电陶瓷的薄层厚度30~200 um ，电极的间距等于陶瓷层厚．
3 . 3 高频换能器
频率大于15 ~20 MHz的B 超在医疗上的应用日益受到重视，这种诊断仪中有用压电陶瓷制成的超声波发生探头，它发出的超声波在人体内传输，体内各种不同组织对超声波有不同的反射和透射作用。反射回来的超声波经压电陶瓷接收器转换成电信号，并显示在屏幕上，据此可看出各内脏的位置、大小及有无病变等。B 型超声诊断仪通常用来检查内脏病变组织（如肿块等）。高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展，如换能器（压电材料、灵敏度和聚焦性），信号的快速电路和数字化等.
3 . 4 压电薄膜换能器
随着沉积技术、微细加工技术的发展，压电薄膜制备技术日趋成熟，它带来了许多优点，即(1)便于换能器微型化；(2)提高了换能器的频率、带宽和分辨率；(3)便于组成各种聚焦换能器和换能器阵；(4)运用MEMS 技术可很方便地将换能器与驱动、控制电路集成在一起 . 压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应，用于超声成像可获得高分辨率的图像．
3 . 5 换能器的微型化
装置的微型化离不开动力元件的微型化，在动力微元件中，压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。压电超声换能器是压电微马达的核心部件．微型压电超声马达的研究起始于美国，1992 年麻省理工学院的Antia . M . Plynn 等人研制出转子直径为1 . 5 mm 的薄膜式微型压电超声马达．2001 年，我国清华大学的周铁英教授研制成功了世界上最细的超声马达，直径只有1 mm ，目前他们正积极开展直径0 . 5 mm 超微马达的研制．
3 . 6 换能器的集成化
集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。超声马达通常在高于常备电池的交流电压下工作，这就需升压的变压器。美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。用压电陶瓷制作的超声马达，需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子．传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成．而电磁变压器体积大，并产生电磁噪声，而用压电变压器则无此缺点．集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容．
4 结束语
压电超声换能器是超声技术的关键部件，国际上对其研究十分活跃，尤其是在压电驱动器和超声治疗方面有所突破。近年来，我国在压电换能器的研制、应用和开发方面越来越重视，并且取得了一定的成绩，有些研究成果与国外已很接近，甚至处于先进水平。压电超声换能器的应用，一方面将要不断提高已实用化的压电陶瓷产品的性能价格比，从而扩大大市场销售量。另一方面要不断开发新的压电应用领域。其中压电声敏、力敏、热敏和气敏等优质高档传感器仍将是开发的重点。另外，开发生物压电陶瓷和压电类智能陶瓷制品具有广泛的应用前景。随着新型压电陶瓷材料和压电陶瓷生产工艺的提高，压电陶瓷换能器必将得到更快、更大的发展。