Page 176 - 《应用声学》2022年第3期

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表 5 不同背衬材料对应的高频换能器性能差异
Table 5 The properties of high-frequency transducer with different backing layer

背衬层 压电层 f c/MHz 背衬声阻抗/MRayl BW/% IL/dB
E-solder3022 [48] PMN-PT-PZT 厚膜 200 5.9 32 −65
环氧树脂和钨 [49] BNKLT-88 陶瓷 23 55 −32
Parylene /RTV 厚膜 [50] PZT 厚膜 50 30
环氧树脂和 43.2wt% 增塑剂 [52] PMN-PT 单晶 17.7 3.01 52.2 −49.8

高效吸声背衬复合材料的研究将有助于提高 者们开展了系列新型超结构声透镜的研究。Welter
换能器的性能。采用传统混合方法制备的背衬层声 等 [58] 设计了带宽为 75 ∼ 125 kHz 的非周期性圆
衰减特性受制于粉体的含量。二维材料石墨烯的引 柱声透镜。在 82.9 kHz 的工作频率下，焦点尺寸为
入改善了原有钨粉/环氧树脂背衬层的微结构，增 3.12 mm(0.75λ)，焦距为 2.5 mm。Kanno 等 [59] 提
强了背衬层的声衰减。此外，通过微观结构的设计 出了两种声子晶体声透镜 (中心三角形层的钨圆柱
结合 3D 打印技术制备声学超材料有望打破目前制 和纵向梯度碳化钨圆柱)，如图7所示。
备方法的局限性。高频超声换能器背衬层多采用进 y
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口导电环氧 (E-solder3022)，该材料价格昂贵。对于
极端条件用的换能器而言，如高/低温、辐射等环境 ඵ
y
下，环氧树脂容易失效，多孔陶瓷作为背衬层材料得
x
以应用，多孔陶瓷的声能衰减主要是通过孔隙散射
来实现，衰减系数相对较低，声阻抗较高，且不同的
频率对孔隙率与孔径尺寸要求不同，尤其是对于高 ܍ЍѬ஝

频微型换能器的应用存在一定局限性。 (a) ʼᝈॎࡏܦߕఃʹᤩ᪫ (b) ጫՔ೙एܦߕఃʹᤩ᪫
⊲
3 厚度模压电超声换能器声透镜

由于波束发散、介质吸收等原因，超声能量在 ⊲
传播的过程中存在衰减，无法满足某些特殊需求，
声聚焦技术应运而生。常用的声聚焦方法有：声 
(c) ʼᝈॎࡏᤩ᪫ܦڤूएѬ࣋ (d) ጫՔ೙एᤩ᪫ܦڤूएѬ࣋
透镜 [55] 、凹面压电层自聚焦 [56] 和相控电子聚焦
等 [57] 。相比于其他技术，声透镜聚焦具有制备工艺 图 7 声子晶体声透镜的结构示意图以及声场分
布 [59]
简单、成本低的优点。
Fig. 7 Schematic diagram of phononic crystal
3.1 低频超声换能器(< 15 MHz)声透镜 acoustic lens structure and distribution of the

声透镜通常根据斯涅尔定律设计，将超声波聚 acoustic field intensity [59]
焦到某目标点上。为了减少声能量的损失，一般都 Al Jahdali 等 [60] 设计了两种由周期为 d 的亚
选择低声衰减系数的材料作为声透镜。硅橡胶由 波长缝隙组成的声透镜，分别在水下和空气中聚焦
于具有合适的声速 (1000 m/s) 和较低的声衰减系 声波。水中的声透镜由于缝隙蜷曲长度不同，导致
数 (0.3 dB/(mm·MHz))，通常被选作医用超声换能 平面波通过该声透镜后相位延迟量不同，从而实现
器的声透镜材料。但是由于其声阻抗 (0.97 MRayl) 中间高两端低的梯度折射率分布。为了实现声透镜
低于人体组织的声阻抗 (1.55 MRayl)，一般都通过 的阻抗匹配，在缝隙里填充了异戊烷。空气中的声
添加二氧化硅、氧化铝和二氧化钛等粉体增加其声 透镜主要是在缝隙里分层填充氩气和氙气。通过
阻抗 (> 1.5 MRayl)，但也会增大声衰减系数 (高于 调整氩气和氙气的厚度比和分布顺序，从而实现中
0.9 dB/(mm·MHz))。为了提高声透镜的性能，学 间高两端低的梯度折射率分布。两种声透镜的焦