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基于PVDF超声换能器结构设计及其声场指向性研究

简平  
【摘要】:随着现代无损探伤检测技术的高速发展,压电超声换能器因为具有广阔的应用前景而备受关注,聚偏二氟乙烯(PVDF)作为超声换能器的新型智能压电材料在压电传感领域中发挥着越来越重要的作用。相对于传统的压电材料,PVDF因具有低机械品质因数、高宽频带、压电电压常数高、声阻抗低等独特优势而被认为是未来压电复合材料的研究热点以及超声探测与成像技术的重要方向。但是由于目前PVDF高聚物材料存在压电应变系数低、机电耦合系数较小、损耗过大等缺陷,因而制约了其实际的应用,特别是在发射激励方面一直得不到有效改进。因此本文尝试提出基于PVDF压电薄膜的新型结构从而提高换能器输出/输入增益、检测灵敏度及信噪比,并且改善其空间声场指向性。这对于缩短高频超声探头的设计周期,降低其开发成本,拓宽其应用范围都具有重要的积极意义。 本文首先提出了一种利用PVDF压电薄膜层叠的组合结构方案设计超声换能器,用于解决困扰柔性薄膜超声换能器输入/输出信号增益低的问题;通过理论推导及数学软件仿真给出了该结构换能器的幅频特性。利用仿真结果可以合理地估算出层叠式结构超声探头的增益、谐振频率和通频带与PVDF薄膜厚度及薄膜层数之间的对应关系;并通过自制的柔性薄膜超声换能器样品的测试数据对理论规律及仿真结果进行比较验证。 本文对柔性曲面压电晶片及其等效动态相控阵元阵列结构的换能器所辐射超声的近声场进行重点研究,通过结合物理声学原理推导出超声近声场的空间声压分布及指向性函数,并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下,对比于平面结构,二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦,同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳,旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。


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