双匹配层空气耦合超声换能器研究

【摘要】：空气耦合超声换能器是应用于超声检测技术的关键部件。当超声换能器压电晶片激发出超声波辐射到空气媒质时,由于压电材料与空气媒质之间的声阻抗相差甚大,导致声能量大部分在气体和固体交界面处被反射,声能辐射效率低,换能器灵敏度低。本文旨在设计、制作并优化中心频率在450kHz左右的高灵敏度空气耦合超声换能器。文中系统地分析了空气耦合超声换能器的基本理论,设计了具有双层匹配层结构的超声探头。本文制备了 1-3型压电复合材料,将其应用于空气耦合超声换能器,并分析了压电复合材料的阻抗特性,探究了高频声波在空气中的衰减特性、固/气界面处声波透射性质以及阻抗匹配理论。为了解决阻抗失配问题,本文实验制备了填料为空心玻璃微珠,基体为环氧树脂的复合材料,它具有低密度、低声阻抗等优势,并且可以通过控制填料和基体的比例,相对灵活地调整材料的密度和声阻抗。本文基于KLM模型建立了双层匹配层结构空气耦合探头的等效电路模型,并采用二端口网络得到双匹配层换能器级联结构,推导了换能器电源端到负载端的传递矩阵,得到换能器双向传递函数。另外,本文利用Comsol Multiphysics对厚度模式圆形活塞压电晶片声场进行有限元仿真分析。通过理论分析获取了所需材料参数,制备了不同声阻抗的匹配层,制作了空气耦合换能器样品,并做了相关测试。通过大量的实验,并采用参数拟合法,获取最佳材料参数。得到了压电复合晶片的最佳体积比、匹配层复合材料的最佳配比以及两层匹配层的最佳厚度,获得了空气耦合换能器较高的灵敏度。