Page 104 - 《应用声学》2023年第3期

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W93 以 10 : 3 的质量比混合作为基体，测试掺入不 500 kHz。背衬层的半径为10 mm，高度7 mm，材料
同质量分数的钨粉时匹配层的密度及声速，以此获 分为空气或环氧树脂两种情况，其中空气的声速为
3
得匹配层的声特性阻抗，如表 1 所示。测试结果表 343 m/s，密度为 1.205 kg/m ；环氧树脂的声速为
明，当掺入钨粉质量分数为 45% 时，匹配层的密度 2368 m/s，密度为 1170 kg/m 。换能器的激励信号
3
ρ 3 = 2063 kg/m ，声速 c 3 = 2247 m/s，特性阻抗 为正弦波，电压振幅为 10 V，信号频率为 0.5 MHz。
3
Z = ρ 3 c 3 = 4.64 MRayl，与计算得到的理论值相 仿真中的负载为水，计算范围为对应波长的40倍。
近。因此，本文以 ρ 3 和c 3 作为仿真中匹配层的声参 1.3 4种换能器声场辐射的仿真结果
数，并选择占匹配层质量 45% 的钨粉填料用于实验
1.3.1 换能器声场分布
中换能器的匹配层制作。
仿真计算得到各换能器的声强分布如图 3 所
1.2 4种换能器声场辐射仿真设置 示。图3(a)∼图 3(d)分别为无匹配层树脂背衬换能
器、无匹配层空气背衬换能器、有匹配层树脂背衬
基于有限元方法，研究了 4 种换能器的声场辐
换能器、有匹配层空气背衬换能器的声强分布图。
射情况。仿真模型如图 2 所示，图 2(a)∼ 图 2(d) 分
别为无匹配层树脂背衬换能器、无匹配层空气背 1.3.2 换能器中心轴线声强分布
衬换能器、有匹配层树脂背衬换能器、有匹配层空 基于仿真得到 4种换能器中心轴线上的声强变
气背衬换能器的仿真模型。其中匹配层的半径为 化如图 4 所示，图 4(a)∼ 图 4(d) 分别为无匹配层树
10 mm，厚度为 h = c 3 /(4f) = 1.123 mm [17] 。匹 脂背衬换能器、无匹配层空气背衬换能器、有匹配
配层材料的声速和密度为 c 3 与 ρ 3 。压电晶片的半 层树脂背衬换能器、有匹配层空气背衬换能器的
径为 10 mm，高度 4 mm，材料为 PZT-8，中心频率 结果。

表 1 样品密度、声速及特性阻抗结果
Table 1 Sample density, sound velocity and characteristic impedance results

质量分数/% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
密度/(kg·m −3 ) 1137 1260 1333 1396 1480 1570 1702 1800 1872 2063 2347 2532 2729 3083 3521 4245 4936
声速/(m·s −1 ) 2799 2701 2699 2603 2574 2517 2492 2449 2437 2247 2202 2175 2143 2130 2032 1936 1897
特性阻抗/MRayl 3.18 3.40 3.60 3.63 3.81 4.15 4.24 4.41 4.56 4.64 5.17 5.51 5.68 6.57 7.12 8.22 10.0

120 120
y/mm 80 y/mm 80
40
40
0 0
ဗතಞᑠ ቇඡ
-100 0 100 -100 0 100
x/mm x/mm
(a) ௄Ӝᦡࡏಞᑠᑀᛮ૱ᑟ٨ (b) ௄Ӝᦡࡏቇඡᑀᛮ૱ᑟ٨

120 120
y/mm 80 h=1.123 mm y/mm 80 h=1.123 mm
40
40
0 0
ဗතಞᑠ ቇඡ
-100 0 100 -100 0 100
x/mm x/mm
(c) దӜᦡࡏಞᑠᑀᛮ૱ᑟ٨ (d) దӜᦡࡏቇඡᑀᛮ૱ᑟ٨

图 2 超声换能器声场仿真模型
Fig. 2 Sound field simulation model of ultrasonic transducer