压电陶瓷换能器的基本构造

现代功率超声系统中使用的换能器几乎毫无例外地基于预应力压电设计。在这种结构中，将多个压电元件（通常为两个或四个）用螺栓固定在一对金属端块之间。压电元件将是预极化的钛酸铅锆酸盐组合物，其表现出高活性以及低损耗和老化特性。它们非常适合构成高效坚固传感器的基础。

如果我们考虑极化压电棒的长度，并用一个交流电压驱动它，使其频率对应于其共振长度，那么该尺寸将随施加的电压而变化。这样的杆在20kHz的频率下将具有大约70mm的长度。由于这些陶瓷的热容量差且抗张强度低，因此其功率处理能力将较低。为了克服这些固有的弱点，在两个声学损耗低的金属端块之间夹了许多薄元件。为此可以使用钛或铝。该组件的设计应使其在所需的操作频率下总长度为半个波。

典型的换能器结构，在半波谐振组件中，两个压电元件位于最大应力点附近。因为这些元件是预极化的，所以它们可以被布置为使得它们在机械上是辅助的，但是在电气上是相对的。此功能使两个端块都处于接地电位。组件通过高强度螺栓夹紧在一起，以确保陶瓷在传感器最大位移时处于压缩状态。

以这种方式构造的换能器可以具有98％的潜在效率，并且在以连续操作方式使用时，可以处理500-1000 W左右的功率传输。当以20 kHz的频率工作时，换能器辐射面的最大峰峰位移约为15-20微米。