Page 172 - 《应用声学》2022年第3期

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例混合打印浆料。用该技术制备匹配层不仅节约原 空气耦合换能器的纳米复合材料匹配层。将高密度
材料而且工艺简单，其性能与传统工艺制备的相当。 聚乙烯、多壁碳纳米管和化学发泡剂混合，采用挤出
该方法在复杂结构换能器匹配层的制备方面具有 成型工艺制备出一种较小声衰减系数(616 Np/m)、
广泛的应用前景。Amoroso 等 [27] 制备了一种用于 较高声阻抗(> 2.2 MRayl)的匹配层。

表 2 不同匹配层参数的低频换能器性能
Table 2 Low-frequency transducer with different matching layer

匹配层第一层/第二层 压电层 匹配层声阻抗/MRayl 厚度/µm f c/MHz BW/%
环氧树脂和氧化锆 [13] 1-3PMNT 单晶/环氧 4.8 100 6.33 102.7
氧化铝和 Epotek301/Epotek301 [15] PMN-PT 单晶 6.4/3.1 75/70 4 110
聚偏氟乙烯和铜/聚酰亚胺 [16] PZT 陶瓷 33 和 77/220 2.6 55
尖锥状超构二氧化硅和环氧树脂 [20] PZT 陶瓷 11.4 1000 4 107
聚氨酯 [22] 1-3 PZT 陶瓷/聚合物 2000 0.3 30
镁合金/ Epotek301 [23] PMN-PT 单晶 10.36/3.0 415/190 3.37 67
阳极氧化铝和 Epotek301/Epotek301 [24] PZT 陶瓷 9.5/2.8 12 68

1.2 高频超声换能器(> 15 MHz)匹配层 的方法，将聚对二甲苯 (Praylene) 制成换能器的匹
根据 1/4 波长理论设计高频 (> 15 MHz) 换能 配层，分别测得超声换能器的−6 dB带宽为 40.3%、
器的匹配层，匹配层的厚度较薄 (微米级)，对制 44.2%、45.05%。Tiefensee等 [31] 用旋涂法将改性的
造精度具有一定的要求，通常通过沉积或者旋
ᩐዠ/ဗත
涂的方法进行厚度的精确控制。此外，随着频率 ᐑࠫ̄ႁᔭ Ӝᦡࡏ
升高，波长逐渐接近填充粉体颗粒的大小，导致 Ӝᦡࡏ ԍႃᬝၬ
࠮ႃᑀᛮ
颗粒散射引起的衰减也增强，无法实现高的声 Cr/Auႃౝ
ᐑᦴ̎ᑝݓኮ
能量传输。因此高频换能器的匹配层多为纳米 ፐᎆဗත
级的粉体颗粒与有机物混合。Zhou 等 [28] 提出用 ᧫रˀᩡᨂܱܧ ࠮ጳ
纳米级的氧化铝粉和环氧树脂 (Epotek301) 混合
制作高频换能器的匹配层。将粒径为 10 ∼ 40 nm (a) PMN-PTᬝၬ᧫र૱ᑟ٨ᄊፇ౞ᇨਓڏˁིྟ
的氧化铝粉按体积分数 14% ∼ 32% 与环氧树脂混 ᮠဋ/MHz
20 30 40 50 60 70
合，通过旋涂法研制了声阻抗为 2.8 ∼ 5.1 MRayl、 0.8
0
声衰减系数为 15 dB/mm(测试频率 40 MHz) 的匹
配层。Zhang 等 [29] 用改性的 PMN-PT 陶瓷制备中 0.4
心频率为 39 MHz 的针式超声换能器，如图 4 所 -6
示。该改性 PMN-PT 陶瓷具有较高的电学性能 ࣨϙ/V 0 ࣨए/dB
(ε = 3500; d 33 = 1200 pC/N; k t = 0.55)。用银粉 -12
s
(d = 2 ∼ 3 µm)、环氧树脂 (Insulcure9 混合 Insul- -0.4
cast501)制得第一匹配层(Z = 7.3 MRayl)，该银粉 -18
-0.8
匹配层具有导电性便于信号线的接出；第二匹配层 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8
(Z = 2.5 MRayl) 蒸镀聚对二甲苯 (Parylene)。该 ௑ᫎ/ms
(b) PMN-PTᬝၬ᧫र૱ᑟ٨ᄊᑢфڀฉฉॎ֗ᮠ៨
针式高频换能器的 −6 dB 带宽为 80%，插入损耗为
−13 dB。 图 4 PMN-PT 陶瓷针式换能器的结构和性能表征 [29]
Fei等 [30] 制备出中心频率为104 MHz、207 MHz Fig. 4 Design section and performance characterization
和275 MHz 的铌酸锂单晶超声换能器。用气相沉积 of PMN-PT ceramic needle transducer [29]