Page 87 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 何常德等： 面向水下应用的电容式微机械超声换能器 409

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图 7 脉冲回波响应测试装置
Fig. 7 Photograph of the pulse-echo response measurement setup

3000 在脉冲回波测试中，尽管由于硅油与铝块的声
2000 阻抗参数值相差较大，超声波到达铝块的前表面应
ᣥѣႃԍ/mV -1000 0 ኄʷ൓ڀฉ ኄ̄൓ڀฉ 该同时存在超声波的反射和透射现象，理论上大部
1000
-2000
-3000
-4000
-5000 ᏹՌηՂ 分入射超声波应在铝块的前表面反射进入硅油，但
0 100 200 300 400
也应有超声波透射进入金属铝块内。在图 8 的脉冲
௑ᫎ/µs
回波响应测试结果中，观察到了铝块的后表面的反
图 8 脉冲回波响应测试结果
射回波信号。图 11 给出了铝块前后表面的反射回
Fig. 8 Results of pulse-echo impulse response
波信号的细节。从图 11中可以得到，两次回波信号
图 9 给出了第一次回波信号的细节图，从图中 的时间差约为 20.7 µs，根据理论的铝块中声速 [17]
得到信号到达时间约为 201.7 µs，根据测试所得的 为6260 m/s，计算得到超声波在铝块内的传播距离
硅油中声速约为991.3 m/s，计算得到声波传播距离 约为 13.0 cm，超声波在铝块内来回传播的理论路
为 20.0 cm，超声波在换能器与铝块之间的硅油中 程为13 cm，测试结果与理论相符。
来回传播理论路程为 20 cm，测试结果与理论相符
2000
合。图 10 给出了第二次回波信号的细节图，从图中 1500
1000
得到信号到达时间约为 403.5 µs，可以计算得到声 ᣥѣႃԍ/mV 500 0
波传播距离为 40.0 cm，超声波在铝块之间的硅油 -1000
-500
中两次来回传播的理论路程为 40 cm，测试结果与 -1500
190 200 201.7 210 220 222.4 230
理论相符合。 ௑ᫎ/µs

2000 图 11 铝块的前表面和后表面的反射回波信号
ᣥѣႃԍ/mV -500 0 Fig. 11 Echo signals reflected from the front sur-
1500
1000
500
face and back surface of the aluminum block
-1000
-1500 2.3 带宽测试
195 200 205 210
௑ᫎ/µs 2 号 CMUT 换能器的带宽测试采用了脉冲回
图 9 第一次回波信号 波法，测试装置示意图如图 12 所示，超声波脉冲
Fig. 9 The first echo signal 发射接收器是型号为奥林巴斯 5073PR 的超声换
能器带宽测试商业仪器。在测试中，2 号 CMUT 换
150 能器施加了 20 V 直流偏置电压，5073PR 仪器产生
100
ᣥѣႃԍ/mV -100 0 单个窄脉冲电压信号驱动 2 号 CMUT 换能器发射
50
-50
超声波，该换能器接收到经铝块反射后的超声回
-150
-200 波信号再经 5073PR 仪器内的低噪放大器转换和放
400 405 410
大输出至示波器，如图 13 所示。对回波信号进行
௑ᫎ/µs
图 10 第二次回波信号 傅里叶变换后得到换能器的频率响应图，如图 14
Fig. 10 The second echo signal 所示。测试得到，2 号 CMUT 换能器的中心频率为