Page 170 - 《应用声学》2022年第3期

492 2022 年 5 月

氧树 脂 1-3 复 合材 料 超 声换能 器。 将环 氧树脂 单阵元换能器 (70%)。该方法因匹配层厚度减小而
(EPOTEK 301) 和氧化锆按 1 : 1.2 和 1 : 1.6 的 降低声衰减，有利于灵敏度的提高。Li等 [20] 报道了
质量比混合，获得了声阻抗分别为 4.8 MRayl 和 一种尖锥状超结构材料匹配层，如图 1 所示。基于
5.7 MRayl 的匹配层。较低声阻抗 (4.8 MRayl) 匹 1-3 复合材料均匀应变 (iso-strain) 理论，该匹配层
配层的超声换能器具有较高的灵敏度 (插入损耗 声阻抗计算公式(8)如下：
({ [ ′ 2 ]
IL) 为 −21.93 dB，带宽为 102.7%；而较高声阻抗 ′ 2(1 − n)(c 12 − c 12 )
n c
Z =
11 − n(c 11 +c 12 ) + (1 − n)(c +c )
′
′
(5.7 MRayl) 匹配层的超声换能器具有较大的带宽 11 12
} ) 1
2
为 117.3%，而灵敏度减小为 −24.08 dB。Lau 等 [19] + (1 − n)c 11 × [ρn + ρ (1 − n)] , (8)
′
制备 1/8 波长厚度双层匹配的 PMN-PT 单晶相控 ( ) 2
π t
阵 (16 阵元) 换能器，采用氧化铝粉 (粒径 2∼5 µm) n = √ 1 − , (9)
2 3 L
和环氧树脂 (EPOTEK 301) 混合制备了第一匹配 ′
其中，c ij 和 c 表示二氧化硅和树脂的弹性常数，ρ
ij
层，纯环氧树脂 (EPOTEK 301) 为第二匹配层。配 和 ρ 为二氧化硅和树脂的密度，n 为二氧化硅体积
′
合适当的重背衬 (16 MRayl)，该阵列换能器的信号 分数，1 − n为环氧树脂体积分数，公式(9)表示n 随
带宽高达110%，高于商用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT) 距离t沿长度为L的锥体的变化。
Ӝᦡࡏ
൦ᰡ1 ൦ᰡ2 ൦ᰡ3
᩼࿄ ဗත ѭҟ
҉ᙍ ܍Ѝ
1-3ܭՌ
PZT
L
ೝ฾ᄬಖ
Ӝᦡࡏ
t
ࠕࣜ͜ᣥ d

(a) ࠹᩼࿄ᡔ౞Ӝᦡࡏ҄ܬืሮ
1.0
ࠄᰎ 0
0.5 വલ
ࣨϙ/V 0 ॆʷӑࣨए/dB -6 100%

-0.5 -12 107%
വલ
ࠄᰎ
-1.0 -18
8.5 9.0 9.5 10.0 1 2 3 4 5 6
௑ᫎ/ms ᮠဋ/MHz
(b) ૱ᑟ٨฾តˁവલᑢф-ڀฉฉॎ (c) ૱ᑟ٨฾តˁവલᮠ៨
图 1 尖锥状超构匹配层的制备流程和换能器的性能表征 [20]
Fig. 1 The preparation process of the cone-shaped metamaterial matching layer and
pulse-echo waveform spectra of the transducer [20]

用氢氟酸刻蚀二氧化硅光纤束形成尖锥微结 为4 MHz，−6 dB带宽为107%。
构，用环氧树脂 (EPOTEK 301) 填充间隙，尖锥底 Guillermic 等 [21] 制备了一种与水声阻抗匹配
部直径约 100 µm，尖锥的间距为 122 µm，沿着声 的匹配层。将二氧化钛粉与 PDMS 按体积比混
传播方向声阻抗由高到低(11.4 ∼ 3 MRayl)逐渐变 合制备匹配层。 当体积比为 17.5% 时， 样品在
化。该种梯度匹配层有利于提高声能的透过率及换 0.5 ∼ 6 MHz 范围测试，声阻抗约为 1.5 MRayl；当
能器带宽，所制备的 PZT 压电陶瓷换能器中心频率 加载 500 kHz 的短脉冲后，其反射信号几乎为零，