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第 38 卷 第 3 期 王晓彧等： 多基元聚焦空气耦合超声换能器 289

相比于平板型超声换能器，虽然聚焦型超声换 2 多基元聚焦空气耦合超声换能器性能理
能器加工工艺复杂，但是聚焦型超声换能器具有 论分析
聚焦特性，在应用中可以提高检测精度 [12] 。图 2 为
根据超声波的叠加原理，声场空间中任意一点
文中研发的 440 kHz 多基元聚焦空气耦合超声换
的声压可以视为每个压电振子激发的超声波在该
能器实物图。圆形压电振子围绕球壳的中心均匀
点处产生的声压的叠加。因此，对于图 2(a) 中的多
放置在凹面，每个圆形压电振子的轴线方向均指
基元聚焦空气耦合超声换能器，各个压电振子在空
向球壳的中心点。其中，1-3 型压电复合材料、匹配
间任意一点R 处产生的总声压P total 可以表示为
层 1 和匹配层 2 的厚度分别为 3.20 mm、1.24 mm、
n
∑
0.50 mm；半径分别为 4 mm、4 mm、4.5 mm。球壳 P total = P i , (1)
的曲率半径为 50 mm，球壳横截面半径为 14 mm， i
其中，P i 为单个压电振子在空间中任意一点 R 处产
压电振子基元数为 6。与传统的采用球面压电陶瓷
及球面匹配层的聚焦结构相比，该聚焦结构具有 生的声压，n 为多基元聚焦空气耦合超声换能器中
压电振子的个数。单个压电振子在空间中任意一点
以下三点优势：首先，在相同的工作频率及球壳曲
R 处产生的声压 P i 可以利用圆形活塞辐射公式计
率半径时，多基元聚焦结构中的单个压电振子尺
算获得 [13] ，表示为
寸要小于上述两种聚焦结构中压电振子的尺寸，这
πfρu [ 2J 1 (ka sin α) ]
将大大降低制备压电振子的工艺难度。其次，该球 P i = a sin(ωt − k |d|) , (2)
2
|d| ka sin α
壳支撑结构易于加工制作，便于获得大的曲率半
其中，f 为超声换能器工作频率，a 为单个压电振子
径及大的横截面直径。对于尺寸固定的单个压电
半径，ρ为空气的密度，u 为压电振子表面振速幅值，
振子，大的曲率半径及大的横截面直径使得压电振
k 为波矢，J 1 为一阶贝塞尔函数，|d| 为压电振子表
子上各点激发出的超声波在到达聚焦位置时，具有
面任意一点与 R 处的距离，α 为压电振子表面任意
比较小的相位差，这有利于获得较好的聚焦效果。
一点与 R 点的连线与该压电振子法线方向之间的
最后，由于单个压电振子尺寸比较小，因此所需要
夹角。利用公式(1)和公式(2)可以计算获得多基元
的匹配材料尺寸也较小，并且易于粘接，粘接层可
超声换能器的声场分布从而获得聚焦特性参数，如
以做到很薄，有助于提高超声换能器的一致性和
表2所示。
成品率。
表 2 聚焦特性数值计算结果
α Table 2 Numerical results of focusing
d x y
R
r γ characteristics
z
θ (单位: mm)
焦距 −3 dB 焦宽 −3 dB 焦深
(a) ܳ۳ЋᐑཥቇඡᏹՌᡔܦ૱ᑟ٨ᇨਓڏ 仿真结果 41.36 1.20 19.20

3 多基元聚焦空气耦合超声换能器测试

文中利用苏州博昇科技有限公司自行研发的
迷你型空气耦合超声检测设备 (型号：PR-ACUT-
100)对制作的 440 kHz 多基元聚焦空气耦合超声换
能器的声场分布特性进行了测试。其中，接收超声
(b) 440 kHzܳ۳ЋᐑཥቇඡᏹՌᡔܦ૱ᑟ٨ࠄྭڏ 换能器由多基元聚焦空气耦合超声换能器中单个
压电振子制作而成。为了避免或者减小积分效应，
图 2 多基元聚焦空气耦合超声换能器
Fig. 2 The multi-element focused air-coupled ul- 降低测量误差，提高测量的精确度，通常要求超声换
trasonic transducer 能器的接收孔径小于待测超声换能器工作频率相