关于压电陶瓷片超声换能器的频率问题

一种压电陶瓷高频陷波器振子，为一块厚度伸缩振动三次谐波压电陶瓷振子，包括压电陶瓷片(1)，压电陶瓷片的一个面上有两个互不相连的正面电极(2)，互相对称地分处于压电陶瓷片上，每个正面电极各自和一端的引出电极(4)相连，压电陶瓷片的另一个面上有两个反面电极(3)，分别与两个正面电极相对，两个反面电极之间由连接带(5)电气相连。由于利用了压电陶瓷厚度伸缩振动的三次谐波，这种压电陶瓷高频陷波器振子的频率可达30MHz，最高可达到60MHz，陷波深度可以达到 30dB，陷波宽度(10dB带宽)可达到200KHz以上，完全能满足高频陷波器的使用要求。

压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛的应用于电子电器方面如：玩具，发音电子表、电子仪器、电子钟表、定时器等方面。

晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率， 是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。（YXC扬兴晶振）

1) 脉冲激励，系统以谐振频率振动，类似于脉冲响应函数，测传递函数的一种方法。

2） 5个周期的500kHz的正弦电压激励，作用时间也很短，激励时以500KHz振动， 激励结束后，应该以谐振频率1MHz振动。

1、蜂鸣片

 压电式蜂鸣片是一种由金属基片(如铜片、不锈钢片)和压电陶瓷片贴合而成的发声元件，具有厚度薄、质量轻、发音清晰、抗电磁干扰、功耗低、可靠性高的特点，被广泛用作指针式石英手表、液晶式石英手表的发声部件，其均被贴合于手表的后盖上。这种发声元件的声源主要来自压电陶瓷片的受迫振动。当在蜂鸣片的两端施加极性不同的电压时，由于压电陶瓷片的逆压电效应，就会产生伸展和收缩的来回横向变形，从而带动金属基片上下弯曲振动。电压大小不同，压电陶瓷片的形变也不同，进而导致金属基片的弯曲幅度也不同。当施加不断变化的交流电压时，金属基片就会周期性地上下弯曲，带动周围的气流振动产生声波。

2、蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，由于发音较洪亮，被广泛应用于石英钟(包括指针式和液晶式)内部，主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电式蜂鸣片、阻抗匹配器、共鸣箱和外壳组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后，它就会起振输出1.5~4.0kHz的音频信号，通过阻抗匹配器升压推动压电式蜂鸣片发声，共鸣箱将声波增强。

电磁式蜂鸣器由多谐振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片和外壳组成。接通电源后，多谐振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈使得其产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的共同作用下周期性地振动发声。

3、机械闹铃

机械手表的闹时系统包括：闹时原动机构、传动轮系、振动调速器、闹时控制杠杆、闹锤和对闹机构等。闹时系统通过对闹机构能在预先设定的时刻到来时控制振动调速机构打闹。

带闹铃功能的机械手表一般都有两个手表把的，一个用于控制走时，另一个用于控制闹时。这种机械表内部存在两个上条盒，一个为控制走时的发条盒，另一个为控制闹铃的闹条盒。同时，在手表的表盘上还有一根指示闹时时刻的闹针。当上紧闹条后，一旦手表走时到了预先设置的闹时时刻，手表就会起闹。

超声波传感器的工作原理：

超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

简介：

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。超声波传感器可以对集装箱状态进行探测，可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。

主要应用：

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。

根据换能器的功能,大体上按照发射型,接收型,收发型来选用陶瓷,分别对应pzt8,pzt5,pzt4，参数主要包括：d33,Fr,Fp,D,Cp0。陶瓷片的用量根据功率极限来算，一般为0.3W/kHz/cm^3，厚度要根据响应或者灵明度来选取，计算起来就比较麻烦了，这里也说不清楚，要看看书了。有了体积和厚度，片数也就差不多知道了。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

压电蜂鸣片声音元件的声源主要来自压电振动板。压电振动板由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。 使用粘合剂，将压电振动板和金属片粘接在一起，这就是我们俗称的蜂鸣片。

图2所示为压电振动板的振荡体系。 当在压电振动板的两个电极间施加直流电压时，由于压电效应，导致机械变形。对于形状扭曲的压电元件，其变形以辐射方向伸展。

压电振动板则沿图2（a）所示方向弯曲，而粘结于压电振动板的金属片不会伸展。相反，当压电元件收缩时，压电振动板则会沿图2（b）所示方向弯曲。因此，当交流电压穿过电极时，如图2（c）所示，图2（a）和图2（b）所示之弯曲就会交替重复发生，从而在空气中产生声波。

蜂鸣片一般而言，人的声频范围大约在20Hz到20kHz之间。人们最易听到的声频为2kHz到4kHz。因此，绝大部分压电声音元件应用在此声频范围内。

蜂鸣片一般而言，人的声频范围大约在20Hz到20kHz之间。人们最易听到的声频为2kHz到4kHz。因此，绝大部分压电声音元件应用在此声频范围内。同时，蜂鸣片谐振频率（f0）一般也选定在相同的范围内。如图3所示，谐振频率取决于支承压电振动板所采用的方法。如果压电振动板的形状相同，其数值将按照（a)、(b）和（c）的顺序变小。

通常情况下，压电振动板被安装在共鸣腔室内，以产生高声压（如图4)。利用公式（1）(赫尔姆霍茨公式)，可以计算出图4中共鸣腔室的谐振频率（fcav)。由于压电振动板和共鸣腔室具有适当的谐振频率，分别为（f0）和（fcav)，因此，可以通过控制两者的位置来增大特定频率下的声压和获得特定的带宽。

压电陶瓷变压器有单层（PT）或多层（MPT）。使用时都要在输入端施加交流电压（或脉冲），而且所施加的电压频率与变压器谐振频率相同。在此电压的作用下,压电变压器产生逆压电效应，形成机械振动，此振动波沿变压器纵向传递，形成正压电效应，到达输出端，在输出端产生交流正弦波输出电压。输出电压是输入电压的N倍(N为升压比)。目前，单层变压器的升压比可达到200倍以上，多层变压器则可以达到更高。压电陶瓷变压器不论单层（PT）或多层（MPT）使用时都要在输入端施加交流电压（或脉冲）U1，而且所施加的电压频率与变压器谐振频率相同。在此电压的作用下,压电变压器产生逆压电效应，形成机械振动，此振动波沿变压器纵向传递，形成正压电效应，到达输出端，在输出端产生交流正弦波输出电压。输出电压是输入电压的N倍(N为升压比)。目前，单层变压器的升压比可达到200倍以上，多层变压器则可以达到更高。建议采用KH3005压电陶瓷，（多层压电陶瓷变压器）。尺寸为30（L）×5（W）×2.6（H），额定功率为3.5W，最大输出功率为4W，谐振频率为55kHz，输入电容为180nf，输出电容为26pf。