Page 169 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 陈燕等： 厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展 491

例 [12−13] ，来改变匹配层的声阻抗，以满足匹配层的
0 引言 设计需求。基体材料聚合物一般为环氧树脂、聚乙

烯等有机物，填充料多为陶瓷或金属粉体。Dvaney
超声换能器是发射和接收超声波的电声转换
等 [14] 、刘鹏波等 [15] 建立了该类 0-3 复合材料的理
器件，被广泛应用于工业、医学和军事等领域 [1−6] 。
论模型，混合后材料密度 ¯ρ、复合材料的体积模量
常用的厚度振动模式压电超声换能器 [7] 通常由压
K、复合材料的剪切模量G、纵波声速c、复合材料匹
电层、匹配层和背衬层组成。其中，压电层多采用
配层声阻抗Z P 计算公式如下：
压电陶瓷、压电单晶和压电复合材料 (如 1-3、2-2 型
¯ ρ = ρ 1 V 1 + ρ 2 V 2 , (1)
压电复合晶片等)，其声阻抗远大于被测组织和物
(3K + 4G)(K 1 − K 2 )
体。这种阻抗差异影响声波能量的传输，导致换能 K = K 2 + V 1 , (2)
3K + 4G + 3(K 1 − K 2 )
器性能欠佳。为了提高声能量的传输效率，通常在
压电层的前端增加一层或多层匹配层。此外，在压 G = G 2 + V 1
5G(3K + 4G)(G 1 − G 2 )
电层的背侧覆盖具有高声衰减的背衬层，以吸收后 × , (3)
(15K + 20G)G + 6(K + 2G)(G 1 − G 2 )
方的声能，抑制多余的振动，以期获得宽带窄脉冲信 √
1 ( 4 )
号 [8] 。另外，声透镜具有良好的聚焦特性，可以把超 c = K + G , (4)
¯ ρ 3
声波声束变细，以提高横向分辨率，满足不同应用领
Z P = ¯ρc, (5)
域对声强或检测分辨率的需求 [9] 。本文综述了近年
其中，ρ 1 和 ρ 2 分别代表填充材料和基体的密度，V 1
来厚度模压电超声换能器匹配层、背衬层以及声透
和 V 2 分别代表填充材料和基体的体积分数；K 1 和
镜的研究进展，并对未来发展方向进行了展望。
K 2 分别为填充材料和基体的体积模量，G 1 和G 2 分
别为填充材料和基体的剪切模量。填充物颗粒的尺
1 厚度模压电超声换能器匹配层
寸需小于声波波长。
匹配层的声阻抗和厚度决定了换能器的声学 Toda 等 [16] 提出了一种基于弹簧 -质量理论设
性能 [10] 。通常匹配层的声阻抗根据压电层和被测 计匹配层的方法，采用声阻抗差异较大的两种材料
组织或物体的声阻抗 (水、生物组织 ∼ 1.5 MRayl) 厚度方向叠层作为等效匹配层，分别用低阻抗聚合
计算所得；而厚度通常取材料在换能器中心频率对 物和高阻抗金属作为弹簧层和质量层。Toda 等使
用聚偏氟乙烯 (PVDF) 和铜粘结作为第一匹配层，
应波长的1/4。表1列出了常用的基于KLM模型的
聚酰亚胺作为第二匹配层。通过控制弹簧层和质量
Desilets 匹配层阻抗计算公式，压电层、第 n 层匹配
层的厚度可灵活调节声阻抗，满足与不同压电层的
[11] ，每
层以及被测物体的声阻抗分别为Z P 、Z n 、Z L
匹配需求。Gorostiaga 等 [17] 在金属箔上旋涂聚二
层匹配层的厚度均满足 1/4 波长理论。由于工艺上
甲基硅氧烷 (PDMS) 也制备了弹簧-质量型匹配层。
的原因，两层以上匹配层的换能器较少。商用换能
该类匹配层声阻抗遵循上述 Desilets 匹配层设计理
器多采用双层匹配层来提高换能器性能。
论，厚度计算公式如下：
表 1 Desilets 的声阻抗计算公式 [11] 弹簧层厚度t s ：
ρ s v 2
Table 1 Desilets’ acoustic impedance cal- t s = s . (6)
culation formula [11] Z2πf 0
质量层厚度t m ：
ρ s v 2 0.4ρ s t s
匹配层数 Z 1 Z 2 Z 3 t m = s − . (7)
√ t s ρ m (2πf 0 ) 2 ρ m
3
1 Z 1 = Z P Z 2
L 其中，ρ s 代表弹簧层的密度；v s 代表弹簧层的声速；
√ √
7 4 3 7 6
2 Z 1 = Z Z Z 2 = Z P Z
P L L f 0 为换能器谐振频率；ρ m 代表质量层的密度。
在自然界中，难以找到符合理论设计的匹配 1.1 低频超声换能器(< 15 MHz)匹配层
层材料，换能器的匹配层通常采用聚合物和固体 Liu 等 [18] 将环氧树脂和氧化锆粉混合制备匹
颗粒粉体混合而成。通过调整聚合物和粉体的比 配层用于铌镁酸铅 -钛酸铅 (PMN-PT) 单晶/环