Page 107 - 《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 545

2.2 实验扫描换能器声场分布 利用搭建的声场扫描实验平台对4 种换能器进
搭建声场扫描实验平台装置示意图如图 9 所 行声场扫描，扫描后的结果如图 10所示。图10(a)∼
图 10(d) 分别为无匹配层树脂背衬换能器、无匹配
示。信号发生器 (TELEDYNE T3AFG120) 发出重
层空气背衬换能器、有匹配层树脂背衬换能器、有
复频率 100 Hz、中心频率 f = 500 kHz、电压峰
匹配层空气背衬换能器的声场分布图。
峰值为 5 Vpp 的调制正弦脉冲信号，通过功率放
大器 (ATA-2022, Agitek) 将信号电压峰峰值放大
ᑢф᧔ᬷѬౢ́ ηՂԧၷ٨ Ҫဋஊܸ٨
至 36.4 V 激励换能器发出超声波。针式水听器 ᡔ
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(SN2876, Precision Acoustics) 将接收到的声信号 C ҒᎶஊܸ٨
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通过超声 C 扫系统 (加拿大 TecScan-LISU-3) 转换 ጇ
ፒ PC ᄰืႃູ ᧫रඵզ٨
为电信号，由计算机处理后最终转换为图像信息显 ᏹՌ٨
z ᡔܦ૱ᑟ٨
示在计算机上。实验中设置换能器的中心轴向为 x
x 轴，扫描区域为 xz 面，大小为 230 mm × 100 mm
图 9 声场扫描装置示意图
的横截面，x、z 方向步进均为 1 mm，扫描速度为 Fig. 9 Schematic diagram of sound field scanning
17 mm/s。 device

-40 -30 -20 -10 (dB)
0 0

z/mm 50 z/mm 50

100 100
0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 200
x/mm x/mm
(a) ௄Ӝᦡࡏಞᑠᑀᛮ૱ᑟ٨ (b) ௄Ӝᦡࡏቇඡᑀᛮ૱ᑟ٨
0 0

z/mm 50 z/mm 50 — Ԓॴሥߦ ҵঃசᛡ —

100 100
0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 200
x/mm x/mm
(c) దӜᦡࡏಞᑠᑀᛮ૱ᑟ٨ (d) దӜᦡࡏቇඡᑀᛮ૱ᑟ٨
图 10 超声换能器声场扫描
Fig. 10 Sound field scanning of ultrasonic transducer

图 4(d)) 相较于树脂背衬换能器 (图 4(a) 和图 4(c))
3 分析与讨论 可以大幅度提高远近场临界位置的最大声强，其

中无匹配层空气背衬换能器 (图 4(b)) 远近场临界
3.1 背衬材料对换能器辐射声场的影响
2
位置的最大声强为 245.680 W/m ，相较于无匹
从仿真结果 (图 3、图 4、图 5) 可以看到，无
配层树脂背衬换能器 (图 4(a)) 107.727 W/m 提
2
论换能器有/无匹配层，空气背衬换能器 (图 3(b)
和图 3(d)) 声能量几乎不向背衬层传播，树脂背 高了 128.1%，有匹配层空气背衬换能器 (图 4(d))
2
衬换能器 (图 3(a) 和图 3(c)) 有一部分能量向背衬 328.698 W/m 相较于有匹配层树脂背衬换能器
2
层传播，空气背衬换能器在负载中的辐射声强高 (图 4(c)) 220.108 W/m 提高了 49.3 %；空气背衬
于树脂背衬换能器；空气背衬换能器 (图 4(b) 和 换能器 (图 5(b) 和图 5(d)) 相较于树脂背衬换能器