Page 103 - 《应用声学》2023年第3期

第 42 卷 第 3 期 张雪晴等： 超声换能器辐射特性的优化 541

气背衬换能器。首先，基于超声换能器的单匹配层
0 引言
声阻抗值计算公式，得到匹配层的声阻抗理论值。
超声技术在生物医学 [1−5] 、工业 [6−7] 等许多领 然后，基于有限元仿真软件，对4 种换能器的辐射声
域被广泛应用，而换能器的辐射特性直接决定了其 场进行数值计算，并得到4种换能器的指向特性。最
应用的精度和效果。越来越多的精准应用对换能器 后，基于实验室前期工作中对匹配层材料制作比例
的辐射效率和指向性提出了更高的需求，匹配层和 和声特性阻抗的测试结果，制作了与仿真参数对应
背衬层对换能器的辐射性能有重要影响。 的 4 种换能器，并通过实验测得 4 种换能器的声场
近年来，各国学者对换能器的匹配层和背衬 分布。通过系统地分析仿真与实验结果，讨论了匹
层的设计和材料选择进行了大量研究。Zhou [8] 、 配层和背衬材料对换能器辐射性能的影响。
Zhang 等 [9] 用氧化铝/环氧树脂纳米复合材料作为
1 换能器声场辐射仿真研究
匹配层，解决了高频超声换能器的阻抗匹配问题。
Tiefensee 等 [10] 提出了纳米复合氧化铈聚合物匹配 1.1 匹配层设计与制作
层，并通过理论及实验证明了使用该匹配层可以
常规的超声换能器结构包括匹配层、压电晶片
使100 MHz换能器的电压幅度增加约100%。Manh
及背衬层，如图1所示。
等 [11] 设计制造了用于 15 MHz 超声换能器的硅聚
合物 1-3 复合材料声匹配层。Fei 等 [12] 基于质量弹 Ӝᦡࡏ
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簧方法和传输线理论分别制作 100 MHz 金属 -聚合
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物匹配层 (聚对二甲苯 -金子层) 铌酸锂换能器，验
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证了两种设计方法可以有效实现高频换能器的阻 ܱܧ
抗匹配。Li等 [13] 提出了一种二氧化硅-环氧树脂复

合晶胞组成的各向异性锥形结构声学超材料匹配
层。该匹配层中二氧化硅锥体的体积分数随着远离 图 1 超声换能器结构示意图
压电材料而减小，可以有效地实现声阻抗沿超声传 Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic transducer
播方向逐渐变化。实验及仿真证明，配备这种声学 structure
超材料匹配层的换能器带宽远优于传统换能器的 基于串并联机械阻抗相等理论，空气背衬超声
带宽。State 等 [14] 用实验证明新开发的聚氨酯复合 换能器的单匹配层声特性阻抗值 Z M 的计算公式
材料在热尺寸稳定性以及声阻尼性能方面都优于 为 [16−17]
环氧树脂材料的背衬。Amini 等 [15] 设计并制造了 √
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Z M = 3 2Z 0 Z , (1)
一种由多孔陶瓷材料制成的新型超声换能器背衬 L
材料。通过在陶瓷基体中引入不同体积分数和不同 其中，Z 0 为压电元件的声特性阻抗，Z L 为负载的声
尺寸的孔，可以获得最佳的声阻抗和衰减值，与当前 特性阻抗。
类型的背衬元件相比，新设计的主要优势是在温度 本文选用的压电晶片材料为 PZT-8， 密度
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高达 700 C∼800 C 时的稳定性，以及与压电元件 ρ 1 = 7600 kg/m ，声速 c 1 = 3500 m/s，特性阻抗
◦
◦
的热膨胀兼容性。该设计和制造过程可用于制造具 Z 0 = ρ 1 c 1 = 26.6 MRayl，中心频率f = 500 kHz；换
有指定中心频率和信号带宽的各种换能器的背衬 能器的目标负载为水或声特性阻抗接近水的生物
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元件。探索能够实现换能器到负载有效过渡的匹配 组织，密度ρ 2 = 1000 kg/m ，声速c 2 = 1450 m/s，特
层是换能器研究的重要内容。 性阻抗Z L = ρ 2 c 2 = 1.45 MRayl；根据公式(1)计算
针对匹配层和背衬材料对发射型超声换能器 得到匹配层的声特性阻抗值为Z M = 4.82 MRayl。
辐射特性的影响，基于有/无匹配层和空气/树脂背 通常很难找到一种特性阻抗恰好等于理论值
衬两种条件的随机组合，本文设计了4 种换能器，分 的自然材料，因此在换能器的设计中匹配层材料更
别为无匹配层树脂背衬换能器、无匹配层空气背衬 多为人工复合材料。本文在前期工作中选择粒径为
换能器、有匹配层树脂背衬换能器以及有匹配层空 2 µm的钨粉作为填料，环氧树脂E51和胺类固化剂