(1)窗式换能器

①结构形式。窗式磁致伸缩换能器是由薄片磁致伸缩金属材料(例如镣、铁钻合金、铝铁合金等)经冲孔成型，氧化绝缘、叠集成块、退火等工艺制成的。由于它是由许多薄片叠集而成，叠片上有孔，形似窗孔，所以被称为窗式换能器。其基本结构形式如图4-6所示，图中4-6(b)和4-6 (c)是双窗式和三窗式结构，它们可以分别看成是由图4-6 (a)所示的两个或三个单窗式组成。

这种换能器的特点是从两端面辐射超声波。通常釆用的叠片厚度为0.1〜0.3mm。由于金属材料的电阻率低，因此片与片之间需要氧化绝缘，以减少涡流损耗。叠片上有孔，在叠片中形成闭合磁回路，漏磁少，并有利于散热。随选用的叠片多少，可以获得不同的辐射面积。通常，辐射面的形状采用正方形。

单窗式换能器一般用于中、小功率(数十瓦至一千瓦左右)的超声设备上。双窗式和多窗式换能器，由于辐射面积增大，同时窗孔增多，改善了冷却条件，减少了横振动，输入电功率可以增加，可用于大功率超声设备上。

②换能器的共振频率公式及结构参数的选取。对于图4-7 (a)所示单窗式换能器，由于其形状的对称性，在计算共振频率时，通常只考虑组成换能器的一个侧肢［图4-7 (b)］ 即可。

在对称盖板的情况下，分析带对称盖板的一根棒［图4-7 (b)］的波动方程式，在两端自由，中间作为位移节点的条件下，得到下面的共振方程式

式中，a为盖板高度；2b为振动棒长度；q为面积系数，q = S₁/S₂=l₁/l₂，k为波数，k=ω/c；ω为圆频率，ω=2πf₀；f₀为换能器共振频率；c为换能器材料的声速。根据参数a、b、q利用式(4-7)求岀k值，然后根据k=2πf₀/c求出f0，也可以利用下面的公式直接计算出窗形磁致伸缩换能器共振频率 f₀。

换能器的结构参数取决于许多因素，可以按下述方法考虑选取。

盖板高度a：根据换能器的工作情况，把盖板看作振动棒的负载，不产生磁致伸缩，或使产生的磁致伸缩尽可能小。因此，其高度应适当选择，a过大，使振动棒的长度减短，从而会使辐射面的振幅减小；a过小，盖板中磁感应强度增高，能量损耗加大。a的最小高度受磁饱和的限制。一般选取a不小于换能器振动棒的宽度l₁。此外，为了减少应力集中，在盖板与振动棒连接处采用圆弧过渡。

窗宽W：换能器窗孔的用途是绕线，并使磁力线在换能器叠块中形成闭合磁回路，此外，还可以改善换能器的冷却条件。W过小，漏磁增加，并且绕线困难，散热情况变坏；W过大，易引起盖板产生弯曲振动，换能器Q值降低，影响辐射效率。一般取W = 0.8〜1.5cm。对于小功率换能器，W还可以取小一些，可取W≥ l₁。

面积系数q：面积系数取决于换能器的工作性能及窗宽，取值通常为q=0. 5〜0. 7。

辐射面积的选取：辐射面形状一般取正方形，其线度尺寸应小于λ₀/2 （λ₀是在给定工作频率下，换能器材料中的声波波长），否则会产生横向振动，并会使辐射面振动分布不均，造成效率降低。如果需要辐射面积大时，可釆用多窗式结构。

在工作频率给定，盖板高度a和面积系数q选定之后，利用公式（4-7）可以求出振动棒长度2b。

用公式（4-1）求出的换能器共振频率与实际测量值较为接近，其误差小于1.5%。 这样的误差值对于超声设备设计来说并无大的影响。