Page 171 - 《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 493

表明该样品具有较好的阻抗匹配。Huang 等 [22] 将
ဗත Cr/Au
声衰减系数较小的聚氨酯 (PU) 作为匹配层，用于 (t~55 mm) (t~500 nm)
锆钛酸铅陶瓷/环氧树脂 1-3 复合超声换能器 (中心 AAO
(t~72 mm)
频率 ∼ 300 kHz)。随着匹配层的厚度增加 (1.1 ∼ 1;5ԍႃᬝၬ
(2 mmT2 mmT0.17 mm)
2.5 mm)，换能器的接收响应先增大，后减小。当
᧛࡛ኮ ᑀᛮ
匹配层的厚度为 2.2 mm 的时候，接收响应幅值最 (φ~5 mm) (t~8 mm)
大。Guo等 [23] 采用高声阻抗的(10.36 MRayl)镁合
金作为匹配层制备了 3.5 MHz 的 PMN-PT 单晶换 (a) PZT-5A૱ᑟ٨ᄊፇ౞ᇨਓڏ
能器，如图2所示。采用该合金匹配层制备的换能器 4
−6 dB 带宽为 67%，插入损耗为 −11.4 dB，性能优 3
2
于钨粉树脂制备的 0-3 复合材料匹配层换能器 (带
1
宽∼40%，插入损耗−13.5 dB)。 0
ࣨϙ/V -1

ဗතಞᑠӜᦡࡏ -2
᪕Ռ᧛Ӝᦡࡏ -3
᧛ႃౝ PMN-PTӭః
Տᣉጳ፶ -4
ᨈዠ/ဗත
ಞᑠᑀᛮ ˀᩡᨂܱܧ -5
ဗතಞᑠ 8.5 9.0 9.5 10.0
௑ᫎ/ms
(b) PZT-5Aᦒ㜭ಘⲴ㜹ߢ-എ⌒⌒ᖒ

(a) ᪕Ռ᧛Ӝᦡࡏ૱ᑟ٨ᄊፇ౞ᇨਓڏˁིྟ
-10
ᮠဋ/MHz
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
3.0 -10 -20 ࣜࠕ(-6 dB)=68%
ࣨए/dB
1.5
-20
-30
ࣨϙ/V 0 -30 ࣨए/dB

-40
-1.5 6 8 10 12 14 16 18
-40 ᮠဋ/MHz
-3.0 (c) PZT-5Aᦒ㜭ಘⲴ仁䉡
-50
26 27 28 29 30 31 图 3 PZT-5A 换能器的结构示意图及性能表征 [24]
௑ᫎ/ms
Fig. 3 Structure diagram and performance char-
(b) ᪕Ռ᧛Ӝᦡࡏ૱ᑟ٨ᄊᑢф-ڀฉฉॎˁᮠ៨
acterization of PZT-5A transducer [24]
图 2 镁合金匹配层换能器的结构和性能表征 [23]
对于空气耦合超声换能器，压电材料与空气
Fig. 2 The structure and performance of trans-
(425 Rayl) 间声阻抗差异巨大，根据理论计算匹配
ducer with magnesium alloy matching layer [23]
层的声阻抗很低，多采用气凝胶匹配层来提高换
Fang 等 [24] 用环氧树脂 (EPOTEK 301) 注入 能器的灵敏度。Korres 等 [25] 用二氧化硅气凝胶匹
多孔阳极氧化铝 (AAO) 模板的复合材料作为第一 配层替换商用空气触觉显示超声换能器 (中心频率
层匹配层制备了中心频率为 12 MHz 的锆钛酸铅 42.5 kHz) 的匹配层后，声波能量提高了2 ∼ 3 dBV。
(PZT-5A)换能器，如图3所示。可以通过调整AAO 然而气凝胶脆性大存在加工难的问题，学者们探索
的孔隙尺寸来改变声阻抗以适应不同压电材料匹 了新的材料与工艺用于空气耦合换能器匹配层的
配需求。所制备换能器的性能良好，−6 dB 的带宽 制备。Ramadas 等 [26] 采用 3D 打印 (光固化成型)
为 68%，插入损耗为 −22.7 dB。表 2 列出了不同匹 技术在 200 kHz 的 PZT 陶瓷片上印刷匹配层，制备
配层材料参数的低频换能器性能。 空气耦合换能器。将光敏树脂和玻璃微球按1 : 6比