超声波波雷达中的换能器，每个超声波单元中都有一个换能器。 它将超声波发生器产生的电振动转换为同频率下的机械振动，并向下传递给焊接模具，使其产生振动。
1、压电式（电致伸缩式）
压电式超声换能器是一种利用压电效应进行声电转换的设备，其工作原理是压电材料（压电陶瓷如PZT、钛酸钡）在交变电场作用下产生形变，从而发出超声波；反之，接收到超声波后，材料形变又会产生电信号。这种换能器具有结构简单、易加工的特点，广泛应用于医学超声探头、工业无损检测等领域。
压电式超声换能器的工作原理
发送超声波：
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当给压电材料（如压电陶瓷）施加一个交流电信号时，压电材料会因为压电效应而发生形变。
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这种形变导致压电材料在空间中产生周期性的振动，就像一个活塞在运动，从而在介质中产生超声波。
接收超声波：
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当接收到的超声波撞击到压电材料时，材料会受到声波的挤压或拉伸，从而发生形变。
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这种形变又会产生一个与机械形变相对应的电信号（压电效应的逆过程）。
典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。压电晶 片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板， 底面接地，上面接至引出线。为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶 片下粘合一层保护膜。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。
图1 压电式超声换能器
2、磁致伸缩式
磁致伸缩式超声换能器（Magnetostrictive Ultrasonic Transducer）是一类利用磁致伸缩材料（磁致伸缩棒镍、镍‑Fe 合金或稀土超磁致伸缩材料）在交变磁场作用下产生尺寸变化（伸缩）进而发射或接收超声波的能量转换装置。其核心工作原理是磁致伸缩效应：铁磁材料在磁化时晶格会自发形变，磁场的周期性变化导致材料产生周期性机械振动，从而产生声波；相反，声波作用在材料上会引起磁通变化，可实现逆向检测
磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料臵于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机 械振动，从而产生出超声波。它是用几个厚为 0.1-0.4mm 的镍片叠加而成，片间绝缘以减少 涡流损失，其结构形状有矩形、窗形等。磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用 在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场(即导磁特性)发生改变。根据 电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记 录或显示出来。
图2 磁致伸缩式超声换能器
3、电致伸缩式和磁致伸缩式的对比
| 指标 | 电致伸缩换能器 | 磁致伸缩换能器 |
|---|---|---|
| 工作频率 | 典型 20 kHz ~ 200 kHz，甚至 MHz 级别 | 低频为主，常在 10 kHz ~ 100 kHz 以下，稀土材料可提升至 200 kHz 左右 |
| 输出功率 | 中等功率（几瓦到十几瓦），受陶瓷尺寸限制 | 大功率（数十瓦至上百瓦），适合高功率加工或焊接 |
| 能量转换效率 | 高（>70%），电-机械直接耦合 | 较低（≈30%），磁-机械耦合及磁路损耗导致效率下降 |
| 带宽 | 宽带（>10% 相对带宽），适合宽频应用 | 较窄（<5%），受机械谐振限制 |
| 耐环境 | 对温度、湿度敏感（需防水防潮），但结构紧凑 | 机械强度高，耐高温、耐水解，适合恶劣环境 |
| 驱动电路 | 低压驱动（几十至几百伏），电容匹配即可 | 需要高电流/高电压的磁路驱动，常配合阻抗匹配网络 |
| 类型 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| 压电 | • 转换效率高 • 体积小、重量轻 • 可实现高频、宽带 • 成本成熟、易批量生产 | • 输出功率受限 • 对温湿度敏感，需防水封装 • 高功率时易产生热效应 |
| 磁致伸缩 | • 输出功率大，适合高功率加工、焊接、无损检测 • 结构坚固，耐高温、耐水解 • 在铁磁材料中可实现直接激励（EMAT） | • 能量转换效率低，需要高功率驱动 • 工作频率受限，带宽窄 • 磁路设计复杂，需阻抗匹配网络 |
4、车载超声波雷达用超声换能器
车载超声波雷达用的换能器一般是压电式，在共振频率下，压电陶瓷片随交流电压伸缩产生高频振动，振动通过金属基板向外辐射声波；接收时，声波再次驱动陶瓷产生电信号，实现"发‑收"闭环。
除了压电式，目前还有MEMS超声换能器，但是还没有商用化。
| 类型 | 典型工作频率 | 结构特点 | 代表产品/规格 |
|---|---|---|---|
| 压电式超声波换能器 | 20 kHz ~ 200 kHz（常见 40 kHz、28 kHz） | 陶瓷+金属背板，尺寸可做微型化 | 奥迪威 AW101：4.2 × 4.5 × 2 mm，仅为传统传感器体积的 1/10 |
| MEMS 超声波换能器 | 60 kHz ~ 150 kHz | 薄膜微纳加工，体积更小、功耗更低 | 佑航科技 AK2 芯片，已实现车规验证并计划 2025 年小批量量产 |
常见技术指标
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工作频率
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换能器的机电转换系数n和机电耦合系数k
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换能器的品质因数Q
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方向特性
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换能器的频率特性：换能器的频率特性是指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性
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发射声功率
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发射效率
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接收换能器的灵敏度（接收声场的响应）
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等效噪声压