Page 174 - 《应用声学》2022年第3期

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通过匹配层设计与优化，能有效提高超声换能 Takahashi 等 [37] 用金属铝板作为背衬层，直接将
器的带宽和灵敏度。增加匹配层的数目可以优化声 压电薄膜 P(VDF/TrFE) 覆盖在铝板上制备了压
阻抗匹配，但是多层 (3 层以上) 匹配层的研究报道 电聚合物超声换能器。该聚合物换能器的中心频
比较少，尤其是对于高频率换能器鲜见，这可能是 率 6 MHz，插入损耗为 −57 dB。Bae 等 [38] 通过
因为：(1) 多层匹配层声阻抗设计理论的材料声阻 在钨粉和环氧树脂混合物中增加周期性的圆柱
抗差异较大，高声阻抗且薄的样品制备困难；(2) 不 形硅橡胶棒排布制备了高衰减系数的背衬。含有
同材料匹配层之间的结合难度大，层间的粘结剂会 周期结构硅橡胶棒的钨粉和环氧背衬的混合物的
影响声传输。通常压电陶瓷或单晶换能器多采用双 声衰减系数为 19.29 dB/mm，高于钨粉和环氧背
层匹配，低频率换能器的第一匹配层多为环氧树脂 衬 (11.01 dB/mm)；两者的声阻抗相近，分别为
混合氧化铝、氧化锆和钨粉等，第二层匹配层为纯 2.91 MRayl和3.11 MRayl。Woo 等 [39] 将环氧树脂
环氧树脂或聚酰亚胺等低阻抗的有机物。高频换能 和钨粉混合物填充在导电石墨柱之间研制了 1-3 复
器匹配层对厚度精度要求很高，匹配层制备过程中
合结构的导电背衬，应用于二维面阵换能器的制
的微气孔及粉体材料在环氧中的沉降不均匀也会
备，导电石墨柱与换能器阵元一一对应便于阵元信
对性能造成较大的影响。导电金属匹配层、梯度声
号的输入与输出。测得换能器的带宽为 50.7%，灵
阻抗匹配层、阻抗差异大的弹簧 -质量型匹配层和
敏度为 −88.2 dB。Qiu 等 [40] 用层层包覆的方法制
1-3 复合型匹配层等新结构的设计为匹配层的优化
备钨粉/环氧树脂/石墨烯/环氧树脂 (W/E/GO/E)
提供了一种新途径。
结构的背衬，如图 6 所示。相比只混合钨粉和环
2 厚度模压电超声换能器背衬层 氧树脂的背衬具有更高声衰减。该结构的背衬在
5 ∼ 12 MHz的范围内表现出最佳的声吸收性能。在
为了提高超声换能器的灵敏度和分辨率，除了 9 MHz 时，声衰减为 (36.58±0.2)dB/(cm·MHz)，厚
在前端增加匹配层，提高声能量透射以外，在后端设 度为 2 mm 时吸声系数 (被背衬层吸收的声能与入
计背衬层用来吸收向后端传播的超声信号，减少超 射声能的比值)高达96.98%。Qiu等 [41] 后来采用离
声信号的反射，得到宽带窄脉冲的信号波形，提高检 心法制备了石墨烯/钨粉/环氧树脂背衬层。首先用

测分辨率。一般来说背衬层需要有较高的声衰减系 化学气相沉积 (Chemical vapor deposition, CVD)
数，以达到良好的吸声效果。背衬层的声衰减主要 法制备具有层状结构的石墨烯，通过离心力作用将
有两个因素：一是填充料产生的散射衰减，常用金属 环氧树脂和钨粉与石墨烯结合。该背衬层声阻抗约
粉体(例如钨、铅和锌)、空心微球和环氧树脂混合制
为13.05 MRayl，声衰减为110.15 dB/(cm·MHz)。
备；另一因素是背衬材料的黏滞性，可通过增加基料
的柔性来提高声衰减。
2.1 低频超声换能器(< 15 MHz)背衬层 ဗත GO

State 等 [35] 将聚氨酯与氧化铝粉、钨粉混合 (ii) W/Eု
制成超声换能器的背衬层。该背衬层比单一粉 (i) W ု
体混合背衬层 (聚氨酯与氧化铝粉或聚氨酯与钨 (v) ဗත (iii) W/E/ ဗත
GO GOု
粉背衬层) 具有更高的声衰减系数。在 5 MHz、 ဗත
W
7 MHz 和 8.5 MHz 测试条件下，声衰减系数分别
为 15.42 dB/mm、28.59 dB/mm 和 38.01 dB/mm。 (vii) W/E/GO/Eᒛ ڍӑ ຉՌ
Toda 等 [36] 又将质量 -弹簧的理论用于换能器背衬 (iv) W/E/GO/
Eု
层设计，制备了多层金属铜胶带 (质量)-聚合物 (弹
簧) 背衬层。该方法能有效解决传统制备方法因为
(vi) ဗත᫼ѵ
粉体粒度差异和分布不均匀造成的波散射问题。在
频率为3 MHz 测量，该背衬层的声速为890 m/s，声 图 6 W/E/GO/E 背衬制作流程 [40]
阻抗为 4 MRayl，较高的声衰减系数 (220 dB/cm)。 Fig. 6 W/E/GO/E film production process [40]