超声波的频率是什么决定的

一、超声波发生器（换能器）的物理特性

1. 压电材料的选择
   超声波换能器的核心是压电材料（如压电陶瓷PZT、压电单晶LiNbO₃等），其压电效应决定了振动频率。不同材料的固有谐振频率不同：
   • PZT陶瓷：常用频率范围为20kHz-1MHz，适用于工业清洗、医疗超声等场景。
   • LiNbO₃单晶：高频性能优异，可实现MHz级频率，用于精密加工或医学成像。
   • 复合材料：通过调整压电材料与聚合物的比例，可定制特定频率范围。
2. 换能器结构设计
   • 厚度振动模式：换能器厚度与超声波波长成反比（f=2dv​，其中$v$为声速，$d$为厚度）。减小厚度可提高频率，但需平衡机械强度。
   • 径向振动模式：通过改变换能器直径调整频率，适用于低频大功率应用（如超声波焊接）。
   • 多层复合结构：叠加多层压电片可扩展频带宽度，实现多频段工作。

二、驱动电路参数

1. 信号发生器输出频率
   驱动电路中的信号发生器直接生成电信号频率，该频率与换能器谐振频率匹配时，换能器效率最高。例如：
   • 工业清洗机通常采用28kHz或40kHz固定频率，驱动电路生成对应方波或正弦波信号。
   • 医学超声诊断仪需动态调整频率（如1-20MHz），驱动电路需具备宽频带输出能力。
2. 匹配电路设计
   换能器与驱动电路间需通过电感、电容组成匹配网络，消除电抗分量，使电路工作在谐振状态。匹配电路参数（如电感值、电容值）直接影响实际工作频率的稳定性。

三、应用场景需求

1. 工业清洗
   • 低频（20-40kHz）：空化效应强，适合清洗大型工件或顽固污渍（如发动机零件）。
   • 高频（100kHz以上）：空化气泡尺寸小，适合精密清洗（如半导体晶圆、光学镜片）。
2. 医学超声
   • 诊断成像（1-20MHz）：高频信号分辨率高，但穿透力弱，适用于浅表组织检查（如乳腺超声）。
   • 治疗超声（0.5-3MHz）：低频信号穿透力强，用于深部组织热疗（如肿瘤消融）。
3. 材料加工
   • 超声焊接（15-70kHz）：频率需匹配材料特性（如塑料熔点、金属硬度），避免过热或焊接不牢。
   • 超声切割（20-40kHz）：高频振动减少切割阻力，适用于食品、橡胶等软材料。

四、频率的稳定性与调节

1. 温度补偿
   压电材料声速随温度变化（如PZT声速温度系数约-50ppm/℃），需通过温度传感器反馈调整驱动频率，维持谐振状态。

2. 自动频率跟踪（AFT）
   现代超声波设备采用锁相环（PLL）技术，实时监测换能器阻抗变化，动态调整驱动频率，确保始终工作在最佳效率点。

3. 多频段切换
   部分设备（如医学超声诊断仪）支持多频段切换，通过切换不同频率的换能器或驱动电路，适应不同深度组织的成像需求。