超声波换能器的原理基于压电效应，通过电能与机械能的相互转换实现超声波的生成与接收。其核心工作过程可分为以下要点：

一、基本工作原理

压电效应

超声波换能器利用某些单晶材料（如石英、压电陶瓷）的压电效应，实现电信号与机械振动的转换。当交变电压施加在压电材料两个电极上时，材料因电场作用产生机械应变和振动，且振动频率与电压频率一致。

能量转换过程

- 电-机械转换：

正向电压使压电陶瓷产生压缩形变（发射超声波），反向电压则产生拉伸形变。

- 机械-电转换：当超声波遇到介质界面时产生反射或折射，反射波被换能器接收，通过电极将机械能转换回电信号。

二、关键结构与参数

核心组件

- 压电陶瓷圆盘：

作为换能核心，负责电-机械转换。

- 匹配层：优化声波传输效率，减少能量损耗。

- 外壳与引出电缆：保护内部结构并传输电信号。

谐振频率

换能器的谐振频率与驱动电压频率一致，需通过设计匹配网络实现谐振条件，以确保最大振幅输出。

三、应用领域

超声波焊接：

将电能转换为高频机械振动，用于金属材料的焊接。

超声检测：

在工业、国防等领域检测材料缺陷或距离，利用超声波的穿透性和反射特性。

医疗超声：

如超声探头，用于医学成像和诊断。

四、技术挑战

效率优化：需平衡换能器的带宽与作用距离，目前磁致伸缩型换能器因效率低、成本高暂不常用。

环境适应性：设计需考虑温度、压力等环境因素对压电材料性能的影响。

通过上述原理与结构设计，超声波换能器在现代科技中发挥着重要作用，其高效能量转换特性使其成为不可或缺的传感器和执行元件。