静电薄膜超声换能器的研究与设计

【摘要】：超声波有着指向性强,穿透性好,易于进行声能集中的特点,广泛的应用于医学成像、工业探伤和声频定向等领域,换能器作为超声系统的核心部件,决定着系统换能效率、输出功率等核心指标,对系统的关键性能有着重要的影响。目前广泛应用的压电式超声换能器仍然存在着与传播介质阻抗失配,工作频率受限等问题,而静电薄膜换能器作为一种新型超声换能器,有着阻抗易匹配,工作频带宽、灵敏度高等特点,尤其在声频定向系统的应用领域,静电式薄膜换能器可以输出强指向性的超声面阵,更有利于超声调制信号在空气中的非线性自解调,相比传统声频定向换能器有着巨大的优势,正在逐渐受到国内外研究者的关注。本文选择静电薄膜超声换能器在声频定向领域的应用为研究方向,开展静电薄膜超声换能器的研究与设计工作。主要围绕换能器的理论模型建立、换能器结构设计、多物理场分析和实验测试几个方面,论文的研究工作主要包括:根据Berktay远场解和KZK方程拟线性解理论,探讨静电薄膜超声换能器的结构尺寸及谐振频率对远近场临界距离的影响以及载波频率对声场指向性的影响。与此同时,通过弹性力学方程求解出换能器的谐振频率公式,探讨薄膜材料和振动结构系统对换能器的频响、失真、功率等特性的影响机制,设计了一种有效的静电薄膜超声换能器结构。并利用有限元仿真软件COMSOL建立静电薄膜超声换能器物理模型,对不同材料、结构和尺寸的静电薄膜换能器的进行多物理场仿真,分析换能器的声学特性,并采用ANSYS软件对设计结构的有效性进行进一步验证。最后搭建实验测试系统,对设计的换能器进行加工制作,进行电学和声学性能测试,得到换能器的频响曲线、指向特性等结果。对比理论计算和仿真结果,对换能器的性能进行综合验证。通过对设计结果进行有限元仿真和样机实验测试可知,所设计的静电薄膜超声换能器拥有指向性好、声压级高,频响曲线稳定等特点。作为声频定向系统的发声部件,其-3dB指向性锐角为2.6~4°,指向性较强,其自解调可听声声压级达到65-70dB,有着较高的声压级输出。仿真和实验结果符合静电薄膜超声换能器的设计预期,满足声频定向系统的性能要求。