超声波的发生

超声波是由超声波发生器产生的。超声波发生器主要是电声型，它将电磁能转换成机械能。其结构分为两部分：一部分为产生高频电流或电压的电源；另一部分为换能器，它的作用是将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。

1.压电式超声波发生器

压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等。在压电元件上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图7－5所示。

图7－5 压电式超声波发生器

压电材料的固有频率与晶片厚度d有关，即

式中 n——谐波的级数 （n＝1，2，3，…）；

c——波在压电材料中的传播速度 （纵波）。

式中 E——杨氏模量；

ρ——压电材料的密度。

对于石英晶体，E＝7.70×1010N／m2，ρ＝2.654kg／m3。

根据共振原理，当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。

压电式超声波发生器可以产生几万赫兹到几十兆赫兹的高频超声波，产生的声强可达10W／cm2。

2.磁致伸缩超声波发生器

铁磁性物质在交变的磁场中，顺着磁场方向产生伸缩的现象，叫作磁致伸缩效应。

磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。

磁致伸缩超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。

磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠制而成。片间绝缘以减少涡流损耗。其结构有矩形、窗形等，如图7－6所示。

磁致伸缩超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压电式相同，即

如果振动是自由的，n＝1，2，3，…；如果振动器的中间部分固定，则n＝1，3，5，…。

图7－6 磁致伸缩超声波发生器

（a）矩形；（b）窗形

磁致伸缩超声波发生器所使用的材料，除镍外，还有铁钴钒合金和含锌、镍的铁氧体。

磁致伸缩超声波发生器只能用在几万赫兹的频率范围内，但功率可达105W，声强每平方厘米可达几千瓦，能耐较高的温度。