一種聲阻抗連續變化的超聲換能器的製作方法
2023-10-08 19:18:29 1
專利名稱：一種聲阻抗連續變化的超聲換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲換能器，特別是涉及一種聲阻抗連續變化的超聲換 能器。
背景技術：
超聲換能器是一種把電信號轉換成聲信號，將其發送到工作介質中去， 然後又將經過工作介質傳播、散射或反射回來的聲信號轉換成電信號的無源、 被動的雙向器件。超聲換能器的性能，是決定相應系統性能的關鍵器件。
如圖1所示，現有技術超聲換能器包括壓電材料層K匹配層2、背襯3 和聲透鏡4，為了使超聲換能器有較高的機一電效率，超聲換能器通常採用 兩層或多層的匹配層，使得高聲學阻抗的壓電材料層1與低聲學阻抗的工作 介質有較好的耦合。圖l所示的超聲換能器的匹配層為兩層，這是目前極為 普遍採用的。
即使採用多層匹配層，高聲學阻抗的壓電材料層1與低聲學阻抗的工作 介質之間也會存在聲阻抗失配。假定壓電材料的聲阻抗是^，工作介質的聲
阻抗是Z^，第/層匹配層的聲阻抗Z,可表示為
Z, = (Z,:!gZw)7， / = 1，2，……，iV (1)
當/ = 1時 z,—, = Zq @zc
當i = at時 = Zw+1
其中，iV是匹配層的總層數，7是大於2的有理數字，取決於不同的理論實 驗研究的結果。以兩層匹配層的超聲換能器為例，壓電陶瓷片的聲阻抗是32 MRayl，第一匹配層(與壓電材料層1相鄰)的聲阻抗和第二匹配層的聲阻抗 按公式(l)做計算，分別為9.03 MRayl和2.55 MRayl (假定工作介質的聲阻 抗為1.5 MRayl，計算的y取為2)。由此可知，兩層匹配層的超聲換能器， 高聲學阻抗的壓電材料層與低聲學阻抗的工作介質之間存在聲阻抗失配。在第二層匹配層與聲透鏡4之間，也會存在聲阻抗失配的問題，如聲透
鏡4常用RTV矽橡膠材料製成，RTV的聲阻抗約為1. 3服ayl，將存在有Z,= 2.55 MRayl和Z,二1.3 MRayl的聲阻抗失配。由此造成的聲能反射係數為
formula see original document page 5
相應的聲壓反射係數為32.5%;相應的聲強透聲係數為formula see original document page 5也就是
說，對於常用兩層匹配層的超聲換能器，將會有10. 5%的聲能量不能發送到
工作介質中。
這種超聲換能器的缺點是
1、 如果採用少量的匹配層，採用一至二層匹配層(這是目前絕大多數超 聲換能器採用的方法)，那麼聲學匹配的效果是"臺階"式的，不能完全和工 作介質的聲阻抗匹配。
2、 多層匹配可以改善聲學匹配的效果，但每增加一層匹配層，同時也增 加一層粘結層。這不僅增加了超聲換能器結構上的複雜性，同時也造成了聲 波在粘結層中的多次反射，'從而降低超聲換能器的其他方面的性能。
3、 由於第二層匹配層與聲透鏡之間存在阻抗失配，有一部分能量不能發 送到工作介質中，這部分能量將在聲透鏡和工作介質的界面以及聲透鏡和第 二匹配層的界面之間產生多次反射，這種多次反射的結果，造成超聲成像系 統中出現明顯的近場亮暗條紋。
發明內容
本發明的目的是提供一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，結構簡單，使 高聲學阻抗的壓電材料層和低聲學阻抗的工作介質很好地匹配耦合。
為了達到上述目的，本發明的技術方案是 一種聲阻抗連續變化的超聲 換能器，包括依次重疊設置的背襯、壓電材料層，特點在於，在所述壓電材 料層和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層由粒 徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分子耦合劑混合固化構成。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層與壓 電材料層相鄰的表面的聲阻抗值^與壓電材料層的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續變化層與工作介質相鄰的表面的聲阻抗值Z,與工作介質的聲阻抗值相 等。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，在所述聲阻抗連續變化層與 工作介質之間加入透鏡層，所述聲阻抗連續變化層與壓電材料層相鄰的表面 的聲阻抗值^與壓電材料層的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續變化層與透鏡 層相鄰的表面的聲阻抗值Z,與透鏡層的聲阻抗值相等。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層的聲 阻抗沿縱向由高聲阻抗值^向低聲阻抗值Z,連續分布。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，在所述背襯與壓電材料層之 間也設置聲阻抗連續變化層。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層與背 襯相鄰的表面的聲阻抗值與背襯的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續變化層與 壓電材料層相鄰的表面的聲阻抗值與壓電材料層的聲阻抗值相等。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述壓電陶瓷層為各種不同 類型的複合壓電材料。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述壓電陶瓷層為鈦酸鉛、 鈦酸鋇或者各種不同組分鋯鈦酸鉛壓電陶瓷層。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述壓電陶瓷層為各種不同 組分的鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛、鈮鋅酸鉛_鈦酸鉛壓電單晶材料。
本發明由於採用上述技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點 和積極效果
K本發明聲阻抗連續變化的超聲換能器只需一層阻抗連續變化層就能使 高聲學阻抗的壓電材料層和低聲學阻抗的工作介質很好地匹配耦合，因此在 壓電材料層和工作介質之間不必再採用多層結構的匹配層，也不必引入層與 層之間的粘結層，能減少聲波在結構層之間的多次反射，提高聲能量的發射 效率，有效改善超聲成像系統中近場明暗幹擾條紋對成像質量的影響。
2、 本發明聲阻抗連續變化的超聲換能器只需一層阻抗連續變化層就能達 到很好的聲學匹配效果，使超聲換能器結構中最複雜的材料多層結構大為簡 化。
3、 由於聲阻抗連續變化層的聲阻抗在縱向呈連續分布，將高聲學阻抗^端和低聲學阻抗Z,端直接耦合起來，實現沒有多次反射的完全匹配耦合，使 超聲換能器得到最佳的聲學性能。
4、本發明聲阻抗連續變化的超聲換能器的背襯與壓電材料層之間，也可 以設置聲阻抗連續變化層，能實現背襯與壓電材料層之間聲阻抗的完全匹配 耦合，使來自壓電材料層背向輻射的超聲波能全部透進背襯，不再反射回壓 電材料層。
圖1是現有技術中超聲換能器的結構示意圖。
圖2是本發明聲阻抗連續變化的超聲換能器的結構示意圖(壓電材料層 與聲透鏡層之間設有聲阻抗連續變化層)。
圖3是本發明聲阻抗連續變化的超聲換能器的結構示意圖(壓電材料層
與聲透鏡層之間、壓電材料層與背村之間都設有聲阻抗連續變化層)。
圖4是聲阻抗連續變化層內部結構截面圖。
圖5是聲阻抗連續變化層的聲阻抗沿縱向連續分布示意圖。
具體實施例方式
以下參見附圖具體說明本發明的較佳實施方式
一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背襯、壓電材 料層，特點在於，在所述壓電材料層和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層。
所述聲阻抗連續變化層由粒徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分子 耦合劑混合固化構成。
所述聲阻抗連續變化層與壓電材料層相鄰的表面的聲阻抗值4與壓電
材料層的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續變化層與工作介質相鄰的表面的聲
阻抗值z,與工作介質的聲阻抗值相等。
實施例一、
在本實施例中，超聲換能器不直接與工作介質接觸，加入一透鏡層。
參見圖2， 一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背 襯3、壓電材料層l、聲阻抗連續變化層5和透鏡層4。
所述聲阻抗連續變化層5由粒徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分子耦合劑混合固化構成。
若要製備非導電的聲阻抗連續變化層5，可選擇壓電材料層1作為聲阻 抗連續變化層5的高阻抗端的材料，其聲阻抗值為Z^選擇中空非金屬材料 作為聲阻抗連續變化層5的低阻抗端的材料，所選中空非金屬材料的聲阻抗 值等於聲透鏡的聲阻抗Z,，再根據工作頻率上的波長和所要求的材料的厚度， 計算出阻抗梯度，依據計算出的阻抗梯度確定聲阻抗介於Z^和Z,之間的材料 及其的比例。
若要製備導電的聲阻抗連續變化層5,可選擇重金屬材料作為聲阻抗連 續變化層5的高阻抗端的材料，其聲阻抗值為Z^選擇中空輕金屬材料或表 面鍍復金屬層的中空非金屬材料作為聲阻抗連續變化層5的低阻抗端的材 料，所選低阻抗端的材料的聲阻抗值等於聲透鏡的聲阻抗Z,，再根據工作頻 率上的波長和所要求的材料的厚度，計算出阻抗梯度，依據計算出的阻抗梯 度確定聲阻抗介於^和z;之間的材料及其的比例。
粒徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分子耦合劑混合後在重力的作
用下，顆粒按比重大小，由大至小依次縱向排列。參見圖4，在固化後形成 的聲阻抗連續變化層5中，高聲阻抗材料顆粒位於聲阻抗連續變化層5的下 端，低聲阻抗材料顆粒位於聲阻抗連續變化層5的上端。聲阻抗值為；的材 料顆粒位於聲阻抗連續變化層5的最底端(聲阻抗值為Zw的材料顆粒的比重 最大)，聲阻抗值為Z,的材料顆粒位於聲阻抗連續變化層5的最上端(聲阻抗 值為Z,的材料顆粒的比重最小)。
所述聲阻抗連續變化層5的材料比重P和材料聲速c都是不均勻的，其 與壓電材料層1相鄰的表面的聲阻抗值^與壓電材料層1的聲阻抗值相等， 而其與透鏡層4相鄰的表面的聲阻抗值Z,與透鏡層4的聲阻抗值相等。
參見圖5，聲阻抗連續變化層5的聲阻抗沿縱向連續分布(假設與壓電 材料層1相鄰的一端為坐標原點)，所述聲阻抗連續變化層5的厚度為T， r = ，/，其聲阻抗沿縱向連續分布，由^逐漸降低為Z,，其中，/是厚度的實
際物理尺寸，T是一個無量綱量，當材料實際厚度等於工作頻率上的聲波的 一個波長時，T相當於在相位上一個周期的厚度。所述聲阻抗連續變化層5 可以直接將高聲學阻抗^端和低聲學阻抗Z,端直接耦合起來，只需一層就能
達到很好的聲學匹配效果。
所述壓電材料層l可選用壓電晶體，如石英、酒石酸鉀鈉晶體，或者各種不同組分的鈮鎂酸鉛一鈦酸鉛(P麗一PT)、鈮鋅酸鉛一鈦酸鉛(PZN—PT) 壓電單晶材料，也可選用壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鈦酸鉛、或者各種不同組分 鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷層。
在所述壓電材料層1和透鏡層4之間設置聲阻抗連續變化層5，只需一 層，就能實現不同聲阻抗之間的聲匹配，使超聲換能器結構中最複雜的材料 多層結構大為簡化，減少了聲波在結構層之間的多次反射，提高了聲能量的 發射效率，有效改善了超聲成像系統中近場明暗幹擾條紋對成像質量的影響。
實施例二
參見圖3，實施例二與實施例一的區別在於，在所述背襯3與壓電材料 層1之間也設置聲阻抗連續變化材料層，該聲阻抗連續變化材料層與背襯3 相鄰的表面的聲阻抗值與背襯3的聲阻抗值相等，而聲阻抗連續變化材料層 與壓電材料層1相鄰的表面的聲阻抗值與壓電材料層1的聲阻抗值相等。同 樣地，該聲阻抗連續變化材料層的聲阻抗沿縱向連續分布，該聲阻抗連續變 化材料層的製備方法與壓電材料層1和透鏡層4之間的聲阻抗連續變化層5 的製備方法相同。
在超聲換能器的背襯與壓電材料層之間設置聲阻抗連續變化材料層，能 實現背襯與壓電材料層之間聲阻抗的完全匹配耦合，使來自壓電材料層背向 輻射的超聲波能全部透進背襯，不再反射回壓電材料層。
權利要求
1、一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背襯3、壓電材料層1，其特徵在於，在所述壓電材料層1和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層5。
2、 如權利要求1所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特徵在於，所述聲 阻抗連續變化層5由粒徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分子耦合劑混 合固化構成。
3、 如權利要求1或2所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特徵在於，所 述聲阻抗連續變化層5與壓電材料層1相鄰的表面的聲阻抗值^與壓電材料 層1的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續變化層5與工作介質相鄰的表面的聲 阻抗值Z,與工作介質的聲阻抗值相等。
4、 如權利要求1所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特徵在於，在所述 聲阻抗連續變化層5與工作介質之間加入透鏡層4，所述聲阻抗連續變化層5 與壓電材料層1相鄰的表面的聲阻抗值^與壓電材料層1的聲阻抗值相等， 所述聲阻抗連續變化層5與透鏡層4相鄰的表面的聲阻抗值Z,與透鏡層4的 聲阻抗值相等。
5、 如權利要求2所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特徵在於，所述聲 阻抗連續變化層5的聲阻抗沿縱向由高聲阻抗值&向低聲阻抗值Z,連續分 布。
6、 如權利要求1或4所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特徵在於，在 所述背襯3與壓電材料層1之間也設置聲阻抗連續變化層。
7、 如權利要求6所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特徵在於，所述聲 阻抗連續變化層與背襯3相鄰的表面的聲阻抗值與背襯3的聲阻抗值相等， 所述聲阻抗連續變化層與壓電材料層1相鄰的表面的聲阻抗值與壓電材料層 1的聲阻抗值相等。
8、 如權利要求1所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，所述壓電陶瓷層為各 種不同類型的複合壓電材料。
9、 如權利要求1所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特徵在於，所述壓 電陶瓷層為鈦酸鉛、鈦酸鋇或者各種不同組分鋯鈦酸鉛壓電陶瓷層。
10、如權利要求1所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，所述壓電陶瓷層為 各種不同組分的鈮鎂酸鉛一鈦酸鉛、鈮鋅酸鉛一鈦酸鉛壓電單晶材料。
全文摘要
本發明涉及一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背襯、壓電材料層，在所述壓電材料層和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層。本發明聲阻抗連續變化的超聲換能器只需一層聲阻抗連續變化層就能實現不同聲阻抗之間的聲匹配，使超聲換能器的結構大為簡化，而且不存在結構層之間的多次反射，提高了聲能量的發射效率。
文檔編號H04R17/00GK101605288SQ20081003890
公開日2009年12月16日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者袁建人 申請人:上海愛培克電子科技有限公司