Page 108 - 《应用声学》2023年第3期

546 2023 年 5 月

(图 5(a) 和图 5(c)) 可以提高主瓣和旁瓣的声压级 因此，无论换能器的背衬材料为环氧树脂/空
峰值，其中无匹配层空气背衬换能器 (图 5(b)) 的 气，添加匹配层均可以提高换能器的声能辐射效率。
主瓣 195.045 dB 和旁瓣 188.595 dB 相较于无匹配 原因是匹配层可以使换能器与负载的声阻抗得到
层树脂背衬换能器 (图 5(a)) 的主瓣 189.506 dB 和 有效过渡，提高向负载方向辐射声能效率，声能利用
旁瓣 182.915 dB 分别提高了 2.9% 和 3.1 %；有匹配 率得到显著提高。在实验过程中，还发现随着激励
层空气背衬换能器 (图 5(d)) 的主瓣 195.390 dB 和 电压的增大，测量时间的增长，无匹配层的换能器声
旁瓣 178.528 dB 相较于有匹配层树脂背衬换能器 功率波动较大，有匹配层的换能器声功率相对稳定。
(图 5(c))的主瓣192.954 dB和旁瓣170.811 dB分别
3.2.2 匹配层对指向性的影响
提高了1.3%和4.5 %。实验结果(图8)也表明，当激
从仿真结果 (图 3、图 5) 可以看到，无论换能
励电压相同时，空气背衬换能器的声功率要高于树
器的背衬材料为环氧树脂/空气，无匹配层换能器
脂背衬换能器的声功率。
(图 3(a) 和图 3(b)) 有明显的旁瓣，而有匹配层换能
因此，无论换能器有/无匹配层，空气背衬均可
器 (图 3(c) 和图 3(d)) 旁瓣数量明显减少；有匹配层
以提高声辐射效率。其原因是空气背衬与换能器压
的换能器 (图 5(c) 和图 5(d)) 相较于无匹配层的换
电晶片的声阻抗差异大，声波在压电晶片与空气背
能器 (图 5(a) 和图 5(b)) 可以提高主瓣峰值，压缩旁
衬的分界面处几乎完全被反射回压电晶片方向，不
瓣峰值，其中有匹配层树脂背衬换能器 (图 5(c)) 的
向空气背衬方向辐射，使声能利用率得到提高。
主瓣 192.954 dB 和旁瓣 170.811 dB 相较于无匹配
3.2 匹配层对换能器辐射声场的影响 层树脂背衬换能器 (图 5(a)) 的主瓣 189.506 dB 和

3.2.1 匹配层对辐射效率的影响 旁瓣 182.915 dB，主瓣提高了 1.8 %，旁瓣降低了
6.6%，有匹配层空气背衬换能器 (图 5(d)) 的主瓣
从仿真结果 (图 3、图 4) 可以看到，无论换能
195.390 dB 和旁瓣 178.528 dB 相较于无匹配层空
器的背衬材料为环氧树脂/空气，有匹配层的换能
气背衬换能器 (图 5(b)) 的主瓣 195.045 dB 和旁瓣
器 (图 3(c) 和图 3(d)) 与无匹配层换能器 (图 3(a) 和
188.595 dB，主瓣提高了0.2%，旁瓣降低了5.3%；实
图 3(b)) 相比，声能前向辐射效率增加，且对于树脂
验结果 (图 10) 也表明，有匹配层的换能器 (图 10(c)
背衬换能器，添加匹配层后声能向背衬层传播的能
和图 10(d)) 相较于无匹配层的换能器 (图 10(a) 和
量明显减弱；有匹配层的换能器 (图 4(c) 和图 4(d))
图10(b))旁瓣被抑制。
相较于无匹配层的换能器 (图 4(a) 和图 4(b)) 可以
因此，无论换能器的背衬材料为环氧树脂/空
大幅度提高远近场临界位置的声强，其中有匹配
气，添加匹配层均可以改善换能器空间指向性，这一
层树脂背衬换能器 (图 4(c)) 220.108 W/m 相较于
2
特性可以为发射/检测两用的中低强度超声换能器
无匹配层树脂背衬换能器 (图 4(a)) 107.727 W/m 2
设计提供技术参考。
提高了 104.3%，有匹配层空气背衬换能器 (图 4(d))
328.698 W/m 相较于无匹配层空气背衬换能器
2
4 结论
(图4(b)) 245.680 W/m 提高了33.8%。
2
实验结果 (图 8) 显示当激励电压相同时，对于 本文主要研究匹配层和背衬层对超声换能器
树脂背衬换能器，有匹配层的换能器比无匹配层的 声场特性的影响，由仿真及实验结果可以得出以下
换能器的辐射声功率高；但对于空气背衬换能器，有 结论：(1) 背衬材料的特性阻抗与压电材料的特性
匹配层的换能器比无匹配层的换能器的辐射声功 阻抗差异越大，换能器的声能效率越高；(2) 匹配层
率低。这一反常现象的原因是换能器的背衬材料为 既可以提高换能器的声能辐射效率，又可以提高主
空气时，已经极大提高了声能辐射效率；因为仿真中 瓣旁瓣峰值比，改善换能器空间指向性，使声能更为
设置的匹配层是无衰减的，所以仿真中的空气背衬 集中；(3) 特别是针对空气背衬换能器，匹配层更重
换能器添加匹配层后声能辐射效率提高，而实验中 要的作用是提高换能器的空间指向性。根据本文的
制作的匹配层具有一定的衰减系数，所以实验中空 研究结果，在制作换能器时，背衬材料应选用与压电
气背衬换能器添加匹配层后声能反而有略微减小。 材料特性阻抗值差异大的材料；添加合适的匹配层