實際應(yīng)用時，負載對共振頻率的影響很小，按換能器空載進行計算。換能器的基本結(jié)構(gòu)圖a，以及共振時的位移振幅分布圖b，它的長度等于半個波長，所以也叫半波振子。我們假定橫向尺寸小于1/4波長，換能器作縱向振動。圖b中對應(yīng)于S點的平面內(nèi)，各質(zhì)點的位移振幅為0，這個面叫做節(jié)面。我們的經(jīng)驗是先確定節(jié)面位置，然后計算蓋板長度。節(jié)面可以設(shè)計在不同的位置，可在后蓋板中、壓電陶瓷堆中，或前蓋板中。通常取的位置有：后蓋板與陶瓷堆交界面、陶瓷堆中央、陶瓷堆與前蓋板的交界面以及在前蓋板某一位置。換能器的形狀成圓柱形或喇叭形。

最常用的換能器之一 28KHz結(jié)構(gòu)圖：

雙頻超聲波研究之三關(guān)于夾心式壓電換能器

超聲波清洗機中常采用半波長壓電換能器，其工作頻率在18~50kHz之間，對于這樣的頻率，采用一單片壓電陶瓷來制造換能器，則其厚度為40~100mm。要制造這樣厚的壓電陶瓷片，在工藝上比較難實現(xiàn)。即使制造出來，由于Q值不高，本身消耗的能量太大，其效率也是相當(dāng)過低，沒有實用價值。另外，在諧振的狀態(tài)時，由單一壓電陶瓷片組成的換能器振幅也很小。因此在材料的使用上，設(shè)計在換能器兩端部分采用膨脹系數(shù)較小的，有較高Q值的非壓電材料來替代，這樣制造出來的換能器，其性能比原來只用單一陶瓷材料組成的換能器要提高很多，這種換能器稱為夾心式壓電換能器。

   夾心式超聲換能器主要由中央壓電陶瓷片，前后金屬蓋板預(yù)應(yīng)力螺栓、金屬電極片以及預(yù)應(yīng)力螺栓絕緣套管等組成。換能器中央部分的陶瓷晶堆由若干片壓電陶瓷圓環(huán)組成，壓電陶瓷晶堆中各晶片之間采用機械串聯(lián)而電路并聯(lián)的方式連接，相鄰兩片晶片的極化方向相反，使得各個晶片的縱向振動能夠同向疊加，以保證壓電陶瓷晶堆能協(xié)調(diào)一致的振動，晶片的數(shù)目一般是偶數(shù)，以便換能器的前后蓋板能與同一極性的電極相連，否則換能器的前后蓋板與晶平之間要加一絕緣片，通常為了安全，換能器的前后蓋板都與電極的負極相連，其結(jié)構(gòu)如圖：

1.   后蓋板，一般是用鋁合金做成；

2.   壓電陶瓷極片，大多用鋯鈦酸鉛材料；

3.   銅片極片；

4.   鋁輻射椎體，做成錐體是為提高輻射效率，由大錐體面輻射超聲波（也可做成圓柱形）；

5.   螺桿，用高強度的螺栓鋼制成，要求抗張強度在80Kg/mm2以上。螺紋采用圓弧式。

夾心式壓電陶瓷換能器的設(shè)計方法

    根據(jù)應(yīng)用對象及所使用的功率大小所用晶片的直徑和片數(shù)，前后金屬蓋板的形狀，然后根據(jù)諧振條件，算出前后蓋板的長度，以滿足某一要求的頻率

諧振頻率設(shè)定為28KHz，壓電陶瓷片選用PZT(鋯鈦酸鉛)陶瓷，它是PbTiO3和PbZrO3固容體為基的組成物，其居里點在300~400℃范圍，在較大的溫度范圍內(nèi)性能都比較穩(wěn)定，作為換能材料，其壓電效應(yīng)是顯著的?？紤]用非對稱結(jié)構(gòu)，節(jié)面設(shè)計在前蓋板和壓電陶瓷片的接觸面，后蓋板與兩壓電陶瓷片及電極片構(gòu)成四分之一波長段，前蓋板構(gòu)成四分之一波上段。