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对应的一个波长 (对于工作频率为 440 kHz 的多基 2500
元聚焦空气耦合超声换能器，其在空气中的波长约 2500 2000
为 0.8 mm)。但是小的孔径不容易加工制作，并且 2000
太小的接收孔径会导致在测量空气耦合超声换能 ηՂࣨϙ/mV 1500 1500
器声场分布特性过程中，接收信号容易受到测试环 1000 1000
境因素影响，使整体信噪比降低。对于较大发射孔 500
0
径的空气耦合超声换能器声场分布特性测试而言， 30 500
20 30
选取 1∼2 mm 的接收孔径可以获得较高的信噪比， y/mm 10 10 20
0 0 x/mm 0
其积分效应可以接受，满足声场分布特性的测量要
(a) ཥགܫxy᭧ܦڤѬ࣋(30 mmT30 mm)
求 [14] 。因此，本文采用 1 mm 的接收孔径。声场分
布特性实验装置如图3所示。 2500
3000 2000
௄૯ೝ฾ 2500
ηՂࣨϙ/mV 1500 1500
ᝠካ఻
˟఻ 2000
ଌஆ૱ᑟ٨ 1000 1000
500
Ҫ
ஊ 0
30 500
20 80
ԧ࠱૱ᑟ٨ 10 40 60
20 0
y/mm
0 0 x/mm
图 3 声场分布特性实验示意图
(b) ࢊׄԩxz૫ലӆٳ҃(30 mmT70 mm)
Fig. 3 Schematic diagram of spatial distribution
of acoustic field 图 4 多基元聚焦空气耦合超声换能器声场分布特
性测试结果
测试过程中，发射信号为200 V的方波，前置放
Fig. 4 Experimentally measured spatial distri-
大器增益为 40 dB，激励脉冲周期数为 2，扫描步进
bution of acoustic field of the multi-element air-
间距为 0.1 mm，扫描速度为 60 mm/s，声信号的采 coupled focused air-coupled ultrasonic transducer
样频率为5 MHz。测试结果如图4所示。
表 3 多基元聚焦空气耦合超声换能器聚焦特
从图 4(a) 中可以看到一个清晰的焦斑，并且在
性测试结果
偏离焦斑位置后声压迅速下降。焦斑附近的旁瓣
Table 3 Focusing characteristics of the
是由六个压电振子形成的。图 4(b) 中，各压电振子 multi-element focused air-coupled ultra-
激发出的超声波沿着各自的法线方向传播，在多 sonic transducer
基元聚焦空气耦合超声换能器的焦点位置附近开 (单位: mm)
始汇聚，形成了明显的焦斑，在焦点处声压达到最 焦距 −3 dB 焦宽 −3 dB 焦深
大值，并在一定范围内保持超声波的汇聚状态；伴 测试结果 41.44 1.14 20.30
随着超声波继续向前传播，超声波开始扩散，声压
逐渐降低，焦斑逐渐消失。提取的有关聚焦参数见 ηՂູ ᇨฉ٨
表 3。对比表 2 和表 3，多基元聚焦空气耦合超声换
能器焦距、焦宽及焦深的测试结果与仿真结果非常
૱ᑟ٨
接近，这表明测试结果非常符合理论预期和数值仿
真结果。
文中对 440 kHz 多基元聚焦空气耦合超声换能
Ԧ࠱౜
器的灵敏度及带宽也进行了测试评估。所用信号源
为RIGOL DG1022Z，示波器为 Tek TDS3012C，实 图 5 性能评估实验示意图
验装置示意图如图5所示。 Fig. 5 Schematic diagram of performance evaluation