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夹心式径向振动压电超声换能器研究
摘要：压电超声换能器是一种能够将电能和机械能互相转换的设备，被广泛应用于医学、材料科学、能源等领域。本文主要介绍了一种新型的压电超声换能器——夹心式径向振动压电超声换能器。文章首先介绍了压电效应和超声波的基本原理，并对现有的压电换能器进行了简单介绍。然后详细介绍了夹心式径向振动压电超声换能器的结构、工作原理和性能参数，并对其在医学和材料研究方面的应用进行了展望。
关键词：压电效应；超声波；压电超声换能器；夹心式径向振动压电超声换能器。
1. 引言
压电效应是许多物质表现出来的一种电学效应，也是压电超声换能器的工作原理。这种效应被广泛应用于声学、电子、机械等领域。压电超声换能器是利用压电效应和超声波的原理，将电能转换成机械能，或者将机械能转换成电能的一种设备。压电超声换能器被广泛应用于医学、材料科学、能源等领域。近年来，随着亚微米级生物学及材料研究成为热点，更高灵敏度和更小尺寸的压电超声换能器需求量越来越大。
2. 压电换能器的基本原理
压电效应是指某些晶体在外界机械应力下会产生电荷的分布变化，这种电荷的分布变化称为压电位移。如图1所示，当压电晶体受到外界力的作用时，会产生电荷的分布变化。当这种电荷分布变化达到一定程度时，就能产生电动势。这个过程就是压电效应。
超声波是频率高于人类听觉范围的一种机械波。其频率一般在20kHz以上，可以在各种物体中传播。超声波的传播方式与光的传播类似，也具有反射、折射、散射等特性。超声波在医学中广泛应用于检测时间、检测孕妇、诊断器官疾病等方面。此外，超声波还被广泛应用于材料结构和性能的检测、分析和改善等方面。
压电超声换能器的基本原理是利用压电效应和超声波的原理，将电能转换成机械能，或者将机械能转换成电能。压电超声换能器通常由压电材料、电极和负载组成。当外界电场施加在压电材料上时，压电材料会发生压电效应，产生机械位移或应力，从而产生超声波；当外界超声波作用在压电材料上时，其机械振动会导致压电材料的电荷分布发生变化，从而产生电动势。
3. 压电超声换能器的分类
根据其结构形式和工作原理的不同，压电超声换能器可分为若干种类型，包括弯曲振动压电超声换能器、纵向振动压电超声换能器、压电陶瓷振荡器、夹心式径向振动压电超声换能器等。
弯曲振动压电超声换能器
弯曲振动压电超声换能器由压电陶瓷片、金属负载和成型圆筒组成，工作时压电陶瓷片弯曲振动产生超声波。其具有高灵敏度、高稳定性、响应速度快等特点，被广泛应用于精密仪器、材料检测等领域。
纵向振动压电超声换能器
纵向振动压电超声换能器由压电陶瓷片和金属负载组成，其结构与弯曲振动压电超声换能器相似，但工作时，压电陶瓷片沿着其长轴方向振动产生超声波。具有灵敏度高、频率稳定等特点，广泛应用于超声波检测、材料研究等领域。
压电陶瓷振荡器
压电陶瓷振荡器通常由圆盘型压电陶瓷片和电极、基座和开关组成。工作时，由开关控制的电场和机械应力作用于压电陶瓷片上，使其产生固有频率的振动。具有简单的结构、高稳定性、可靠性高等优点，主要用于生产中的震动、摆动、信号发生器、音响设备等。
夹心式径向振动压电超声换能器
夹心式径向振动压电超声换能器是一种新型压电超声换能器，其主要由压电材料、金属环和夹持块组成，其结构如图2所示。夹心式径向振动压电超声换能器工作时，外加电场和压电材料的自然机械震荡作用于夹心结构中的压电材料上，压电材料随之发生径向振动，从而产生超声波。具有尺寸小、灵敏度高、可靠性好等优点，因此被广泛应用于医学和材料研究领域。
4. 夹心式径向振动压电超声换能器的结构和性能分析
夹心式径向振动压电超声换能器具有以下结构特点：
首先，夹心式径向振动压电超声换能器的结构非常简单，主要由压电材料、金属环和夹持块组成，材料成本低，制造工艺简单。
其次，夹心式径向振动压电超声换能器体积小，尺寸小于其他类型的压电超声换能器，可以用于需要小型化和集成化的应用。
第三，夹心式径向振动压电超声换能器具有高灵敏度和高频率响应。这与其结构有关，其压电材料直接振动，不需要经过机械部件传递，从而使灵敏度提高。另外，夹心式径向振动压电超声换能器的腔体尺寸小，强烈的谐振响应使其具有高频率响应的特点。
然而，夹心式径向振动压电超声换能器也有其缺点。其一是因压电材料体积小，发声较弱，限制其应用于远距离或深度较大的应用中。其二是由于材料消耗量小，其持久性和寿命有待提高。
5. 夹心式径向振动压电超声换能器在医学和材料研究中的应用展望
夹心式径向振动压电超声换能器具有尺寸小、灵敏度高、响应速度快等优点，因此在医学和材料研究领域有广泛的应用前景。
在医学中，夹心式径向振动压电超声换能器可以用于检测器官的细微变化和血流变化。具有模型简单、检测精度高、操作方便等优点。
在材料科学中，夹心式径向振动压电超声换能器可以用于材料的结构和性能分析。由于其尺寸小、频率响应快，可以用于流动状态材料的检测和分析，具有极大的应用潜力。
6. 结论
夹心式径向振动压电超声换能器是一种新型的超声换能器，具有尺寸小、灵敏度高、响应速度快等优点，在医学和材料研究领域有广泛的应用前景。不过，其缺点是发声声音较小，会限制其应用于长距离或深度较大的应用中。因此，今后应该进一步改进其性能和提高其稳定性，以满足不同应用场合的需求。