​     在功率超声领域 ,声能的产生主要通过三种方法 ,即流体动力法、压电效应法以及磁致伸缩效应法 [ 1—9 ] . 流体动力型超声发生器包括气流声源和液体动力声源两种. 气流声源是一种机械式的声频或超声频振动发声器 ,它依靠气流的动能作为振动能量的来源 ,可分为低压与高压声源两种. 低压声源也称为哨 ,如通常的哨子及旋涡哨等. 高压声源包括哈特曼哨及其各种变异体等. 低压气流声源的效率较高 ,可达 30%左右 ,但声功率不高 ,通常不超过数瓦. 高压声源的效率较低 ,但可获得较大的声功率。

        流体 (液体 )动力发生器声源是将液态流体中的涡流能量转换成声波辐射的一种声波换能器. 它的工作原理是利用由喷嘴出来的射流与一定几何形状的障碍物 (腔体 )的相互作用 ,或者利用周期性地强迫射流中断的方法使液体媒质发生扰动 ,从而产生某种形式的速度场与压力场. 流体动力发声器能在相当宽的频带内工作 ,能在 0. 3至 35千赫频带内辐射 1. 5—2. 5W /cm2 的声强. 流体 (液体 )动力发生器声源的优点是可以廉价地获得声能 ,结构简单.液体流一方面是产生振动的动力源和振动体 ,另一方面又是传播声波的载体 ,因此易于声匹配. 流体动力型超声发生器的主要应用包括气体中的超声除尘、空气中尘埃的凝聚、气体和重油的阻燃、加速热交换、超声干燥、超声液体处理、超声化学、超声除泡沫以及液体中的油水乳化、加速晶体化过程等. 利用流体动力法产生超声的装置主要包括用于气体中的葛尔登哨、哈特曼哨及旋笛 ,用于液体中的簧片哨 ,以及可同时用于气体和液体中的旋涡哨等。

        基于压电效应原理工作的换能器统称为压电换能器. 在功率超声领域 ,应用最广的是夹心式压电换能器 ,又称为复合棒换能器或郎之万换能器 . 除了常用的纵向振动模式换能器外 ,为适应功率超声新技术的需要 ,发展了扭转振动模式、弯曲振动模式、纵 - 扭以及纵 - 弯复合模式功率超声换能器. 其分析理论已经从一维发展到了三维. 除了传统的等效电路法和波动方程法以外 ,一些近似的分析方法 ,如等效弹性法以及有限元法等 ,在大尺寸功率超声换能器的分析中得到了广泛的应用. 一些大型的数值分析软件 ,如 ANSYS等 ,不仅可以分析换能器的振动模式和共振频率 ,而且可以给出换能器任意位置及任意时刻的应力和应变状态以及位移分布 ,非常适用于换能器的优化设计. 目前 ,功率超声换能器的工作频率 也从常用 的 较 低频 率 (如20kHz) ,发展到了较高频率 (如几百千赫兹甚至兆赫兹数量级 ) ,如应用于硅片清洗的兆赫兹换能器和用于集成电路微点焊机的小型高频超声焊接机.另外 ,换能器的工作频率也从单一工作频率发展到了多个工作频率. 例如用于超声清洗中的复频换能器和宽频换能器等 ,以及用于超声焊接中的双工作频率超声振动系统等. 单个换能器的功率容量也从几十瓦发展到几百瓦甚至几千瓦。

        在压电超声换能器的发展过程中 ,压电材料的性能提高是关键. 据报道 ,国内外的相关单位已研制出一类新的压电单晶材料 ( PMN2PT及 PZN 2PT) ,其压电常数是现有的传统压电材料 (如锆钛酸铅材料 )的几倍乃至几十倍 ,但这种材料的工作频率上限还需进一步提高. 可以预计 ,这种材料一旦商品化 ,换能器的功率容量以及振动位移将发生革命性的变化. 另外 ,现有的压电陶瓷材料绝大部分都采用铅基的压电材料 ,但是由于国际环境保护法的实施 ,对无铅压电材料的研制提高到了一个新的高度 ,目前国内已有相当多的关于无铅压电陶瓷的研究报道 ,但真正能用于功率超声换能器且和锆钛酸铅陶瓷材料相媲美的廉价的无铅压电陶瓷材料实际上不存在。

        磁致伸缩换能器是基于某些铁磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸缩效应而制成的一种机声转换发声器件  传统的磁致伸缩材料包括镍、铝铁合金、铁钴钒合金、铁钴合金以及铁氧体材料等. 与压电超声换能器相比 ,由传统的磁致伸缩材料制成的磁致伸缩换能器的应用范围已经很小 ,造成这种情况的原因在于磁致伸缩换能器的机电转换效率较低 ,而且其激励电路较复杂. 然而随着材料科学技术的发展以及稀土超磁致伸缩材料的研制成功 ,磁致伸缩换能器又受到了一定的重视. 预计将来不久 ,利用稀土超磁致伸缩材料制成的大功率换能器将在超声技术中获得大规模应用。