超声波换能器是将电信号与超声波信号相互转换的核心器件，广泛应用于医疗成像、工业无损检测、超声清洗、测距、流量测量等领域。其核心原理基于压电效应（Piezoelectric Effect） 或磁致伸缩效应（Magnetostrictive Effect）。其中，压电陶瓷式换能器因其结构相对简单、效率高、频率范围广而被最广泛使用。下面主要围绕压电陶瓷式换能器详细说明其结构和原理：

核心工作原理：压电效应

1. 正压电效应（接收超声）：

   • 当压电材料（如锆钛酸铅PZT、石英、钛酸钡等）受到外部超声波引起的机械压力或应力时，其内部晶格结构发生形变。
   • 这种形变导致材料内部正负电荷中心发生相对位移，产生电极化，从而在压电材料两个相对的电极面上感应出与声压成正比的电荷（电压）。
   • 过程： 超声波（机械能）→ 压电材料形变（机械能）→ 电荷/电压（电能）。

2. 逆压电效应（发射超声）：

   • 当在压电材料两个电极面上施加交变的电压信号时，压电材料内部的电场会使材料内部的晶格结构发生形变（收缩或扩张）。
   • 这种周期性形变推动其周围的介质（如水、空气、金属等）产生周期性的机械振动，从而辐射出与所加电压频率相同的超声波。
   • 过程： 交变电压（电能）→ 压电材料形变（机械能）→ 超声波辐射（机械能）。

因此，同一个压电元件在电路中作为发射器和接收器工作时，本质是利用了其逆压电效应和正压电效应。

核心结构组成（以典型纵波压电换能器为例）

一个典型的超声换能器通常包含以下几个主要部分：

1. 压电振子（Piezoelectric Element）：

   • 功能： 核心能量转换部件，负责电-声转换（发射）和声-电转换（接收）。
   • 材料： 最常用的是多晶陶瓷材料锆钛酸铅（PZT），因其压电常数大、机电耦合系数高、制造工艺成熟。
   • 形状： 常见圆片状（用于产生和接收纵波）、柱状、管状、环形等。
   • 电极： 其上下（或内外）表面涂覆金属导电层（如银、镍、金），作为施加驱动电压或导出感应电压的电极。电极引线连接到外部电路。
   • 极化方向： 压电陶瓷在制造过程中需要在强直流电场下进行极化处理，使其晶粒取向趋于一致，获得稳定的压电性能。振子的振动模态（如厚度振动、径向振动等）与极化方向密切相关。最常见的纵波换能器利用厚度方向（垂直于圆片平面）的振动。

2. 匹配层（Matching Layer / Acoustic Matching Layer）：

   • 功能： 解决声阻抗失配问题，提高能量传输效率（带宽）。
   • 原理： 压电材料（PZT声阻抗约30 MRayl）的声阻抗远高于人体组织（约1.5 MRayl）或水（1.5 MRayl）。这种失配会导致大部分声波能量在界面处被反射回压电片内部（形成多次反射振铃），只有少部分辐射到介质中。匹配层作为声阻抗的过渡层（其阻抗通常介于振子和负载介质之间）。
   • 设计： 常采用1/4波长厚度设计（针对中心频率）。理想情况下使用多层匹配（如医疗探头常采用1-3层）。
   • 材料： 环氧树脂混合特定粉末（如钨、氧化铝）以调节声阻抗和衰减特性。也常用特种塑料、陶瓷复合材料。

3. 背衬层/阻尼块（Backing Layer / Damping Block）：

   • 功能： 吸收压电振子向后传播的声能，缩短脉冲持续时间（提高分辨率），提供机械支撑与散热。
   • 原理： 压电片激发时，声波会向前（匹配层方向）和向后同时辐射。向后的声波若不吸收处理，会在换能器内部反射，延长振铃时间，导致时间分辨率降低（如在超声成像中降低纵向分辨率）。
   • 材料： 高衰减、高声吸收特性的材料，通常将环氧树脂与重金属粉末（如钨粉、氧化铅）或铁氧体粉末混合，其声阻抗接近或略高于压电片。要求强阻尼、高热导率。

4. 外壳（Housing）：

   • 功能： 保护内部组件免受环境影响（水、化学品、物理冲击），提供机械支撑、电气屏蔽和安装接口。
   • 材料： 金属（如不锈钢、铝，有屏蔽作用）或工程塑料（如PEEK，用于高频水浸探头）。
   • 设计： 包含密封结构（防止液体侵入）、连接器（电气连接）、有时集成声透镜（聚束声波）或隔声层（用于阵列探头隔离阵元间串扰）。

5. 电缆和连接器：

   • 功能： 提供驱动电压信号输入和接收信号输出的电气连接通道。
   • 要求： 低损耗、高屏蔽性能、柔韧性好（尤其对于可移动探头）。匹配层设计需要与电缆特性阻抗相匹配。

工作过程简述

• 发射模式：

  1. 外部电路产生高频（通常在20kHz到几百MHz）的交变电压施加到压电振子的电极上。
  2. 压电片在交变电场作用下产生厚度方向的伸缩振动（逆压电效应）。
  3. 振动能量通过匹配层耦合进入前方介质（如水、人体组织），形成向前传播的超声波束。
  4. 向后传播的能量被背衬层吸收耗散掉，防止其反射影响主脉冲。

• 接收模式：

  1. 传播出去并遇到目标（如人体内的器官、工件内的缺陷）的超声波反射回换能器。
  2. 反射波通过匹配层到达压电振子表面，对其产生压力。
  3. 压电片因压力发生形变（正压电效应），在电极上产生相应的微弱电压信号。
  4. 该电压信号通过电缆传输给后端接收电路（放大器、处理电路等）进行解析。

关键参数与设计要点

• 中心频率（f）： 主要由压电振子的厚度（d）和其固有声速（v）决定（f ≈ v / (2d)）。
• 带宽： 影响轴向分辨率和检测深度。由振子的固有品质因数Q值、匹配层的层数和厚度设计、背衬层阻尼决定。低Q、良好的匹配层设计可实现宽带宽。
• 声束特性： 指向性、聚焦能力由振子的形状、尺寸以及可能安装的声透镜或相控阵电子聚焦决定。
• 灵敏度： 发射时电能转声能的效率，接收时声能转电能的效率。由压电材料的机电耦合系数、匹配层效率决定。
• 声阻抗匹配： 提高穿透效率，降低反射损失的核心。
• 阻尼特性： 决定脉冲持续时间（影响分辨率）和频率响应平坦度。

总结

超声波换能器基于压电效应（或磁致伸缩效应），将电能高效地转换为声能（发射超声波）以及将声能转换回电能（接收超声回波）。其结构围绕压电振子这一核心转换元件，通过匹配层解决声阻抗失配以提高能量传输效率，通过背衬层衰减向后辐射的能量以获得短脉冲高分辨率响应，并由外壳提供保护和支撑。理解其结构原理对于正确使用换能器、选择合适的换能器规格以及分析超声系统性能至关重要。