压电超声换能器的性能分析及应用领域

介绍各种不同类型的压电超声换能器及其性能分析，并探讨了此类器件在现代工业技术中的应用领域。     

基于磁控溅射法的超声换能器压电晶片镀膜方法应用

随着科学技术的不断发展,超声波被广泛应用于医学、军事、工业和农业等方面。尤其是在医疗领域,超声的应用为医疗事业的发展发挥了很大的作用。但是,过大输出的超声功率会对人体造成一定的伤害。超声换能器在超声功率溯源中扮演重要的角色。而压电晶片是超声换能器中重要的组成部分,长期实验表明,基于磁控溅射技术对超声换能器的压电晶片进行...     

BS-PT基高温压电超声换能器研究

针对高温超声检测技术的应用需求,该文研究了基于钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基高温压电陶瓷材料的高温超声换能器。利用PiezoCAD器件仿真软件设计并制作了一款1 MHz的高温压电超声换能器,且在200 ℃下对该器件的电学和声学性能进行了测试和分析。结果表明,随着测试温度的升高,换能器的脉冲回波幅值虽略有降低,但其中心频率、带宽变化不明显,带宽仍保持在20%左右。该文设计并制备的BS-PT基高温压电超声换能器可以在200 ℃环境中正常稳定工作。     

压电空气耦合超声换能器制备优化及实验验证

空气耦合超声换能器作为一种无损检测(NDT)的重要设备,具有广阔应用前景,但由于压电元件与空气声阻抗失配导致低带宽(BW)、低灵敏度(SNS)及高双程插入损耗等缺陷而阻碍其应用。该文对空气耦合超声换能器制备工艺进行优化,使用COMSOL软件模拟了压电元件的尺寸设计。同时通过采用1-3型压电复合元件与优化环氧树脂+空心玻璃微珠匹配层调控压电元件与空气的声阻抗,制备了工作频率400 kHz的空气耦合换能器。在工作频率时,该换能器的厚度振动模态较纯,带宽较宽,灵敏度与双程插入损耗为-38 dB。结果表明,采用该文自研工艺制备的空气耦合超声换能器具有良好的性能与巨大应用潜力。     

电磁超声换能器（EMAT）的应用技术研究

电磁超声换能器以其非接触性、无需耦合剂等优点代表了无损超声检测技术的发展方向。文章介绍了电磁超声换能器产生的波模类型及其在工业领域中的应用进展。     

压电音叉式电荷斩波器及应用

利用压电晶体的“压电效应”制作的电荷斩波器,具有体积小、重量轻、结构简单、安装方便和使用寿命长等优点,是电荷调制的理想器件。本文介绍的电荷斩波器实质上是采用压电陶瓷材料作换能器,利用压电技术制作的用于电荷斩波的压电音叉,实际上它又是利用机电换能器激励和拾取叉状振子固有机械振动的谐振器。就压电音叉而言,作为频率振荡元件和频率选频元件广泛地应用于工业控制、通信设备等领域中。随着科学技术的迅速发展,如何提高获取信息和处理信息的技术水平已成了一个很重要的研究课题,因此在信号检测和处理技术中,那些特殊形状的压电音叉就相继诞生了。近几年来,特别是在光电系统中得到广泛的应用。而作为电荷调制用的压     

小型化光学超声传感器及其在光声成像中的应用进展（特邀）

目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器,考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降,科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器,这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度,在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾,然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法,其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展,最后展望了光学超声传感器的未来前景。     

压电超声换能器的应用与发展

压电换能器是超声技术的主要部件，其种类多，用途及发展前景广。该文回顾了超声换能器的发展历程，概括总结了压电超声换能器的分类和应用，分析了压电超声换能器的发展趋势。大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化是当前的发展方向。     

聚偏氟乙烯有机压电薄膜超声换能器及其应用

本丈描述了聚偏氟乙烯(PVDF)有机压电薄膜超声换能器的结构设计、工艺要点、性能测试和有效的应用。 测试结果指出,PVDF超声换能器具有良好的宽带特性以及在直到10MHz频率范围的平坦的频率响应。 实验证明,利用铜背衬结构可以提高薄膜换能器的发射灵敏度和接收灵敏度。 若干应用预示,PVDF压电薄膜超声换能器在超声无损检测、超声成像和超声诊断等诸多应用领域有着广阔的前景。     

激光超声波无损检测技术

多年来，工业超声波无损检测技术是应用一个耦会介质由压电换能器将产生的超声信号耦合到测试样品表面并得到回波，通过传感器对这些返回信号的强度、频率和时限的测量而获取测试样品的内部缺陷参数。而采用激光耦会超声波检测，无需耦会介质，也不需要精确地控制表面和换能器之间的角度（因为测试样品的表面可起换能器的作用），可以进行小于10μm空间分辨率的更快速和远距离非接触（无损）超声波检测，且操作简便，较之传统的工业超声波无损检测方法，激光检测技术更具有优越性。一束聚焦的激光脉冲能量引入到材料表面引起温度上升并使材…     

Helical‐Like 3D Ultrathin Piezoelectric Element for Complicated Ultrasonic Field

The developments of personalized medicine, ultrasound imaging, and contactless “microscopic handle” techniques are pushing ultrasonic transducers toward features of high frequency, device miniaturization, and even novel function. However, the conventional ultrasonic transducer has severely limited the development of novel ideas for applications due to its ordinary ultrasonic field. Although transducer arrays and monolithic acoustic holograms are capable of producing the complicated ultrasonic field, it is still difficult to achieve high frequency, device miniaturization, and novel function simultaneously. Here, a simple but effective approach is introduced that aims at reconstructing the complicated and high‐frequency ultrasonic field via a compact single‐element ultrasonic transducer. The 3D ultrathin piezoelectric element with a complex configuration is demonstrated theoretically and experimentally to produce the desired complicated ultrasonic field. With helical‐like configuration, the single‐element ultrasonic transducer offers efficient noncontact trapping and manipulation of suspended microparticles and biological cells. Moreover, its strong trapping capability leads to the 3D stacking of microparticles, which is a novel and interesting phenomenon achieved by a single‐element ultrasonic transducer. This work brings the possibility of a complicated ultrasonic field for achieving novel high‐frequency ultrasound applications through the design of smart structure ultrathin piezoelectric materials.     

参量阵扬声器系统的超声发射阵指向性研究

在参量阵扬声器系统中,需采用若干个压电陶瓷超声换能器单元组成换能器发射阵,换能器单元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生影响。通过改变换能器数目及之间的相对距离,模拟了超声发射阵的空间指向性。与实测结果进行了比较,验证了在设计超声发射阵列时,此模拟方法的可靠性和实用性。     

Ultrasound Transducers for Pulse-Echo Medical Imaging

The transducer is probably the single most important component of any ultrasonic imaging system. A basic introduction to the problems and paradoxes of transducer design is given. After introducing the piezoelectric equations and discussing important transducer material such as lead zirconate titanate and polyvinylidene difluoride, the techniques for modeling the electromechanical impulse response are reviewed. Quarter-wave matching and short pulse techniques are discussed. The prediction of the ultrasound field of plane, spherical, and conical transducers is reviewed with emphasis on the spatio-temporal impulse response technique. Finally, the use of the above approaches is illustrated in a very practical fashion for three interesting transducer geometries: 1) a split aperture device with two focal lengths, 2) a five-element annular array, and 3) a 37.5 degree conical/annular array hybrid transducer.     

压电超声换能器的电端匹配电路及其分析

本文分析了压电超声换能器的几种匹配电路及其匹配原理,推出了超声频电发生器与换能器之间的理想匹配条件,研究了电端匹配电路对换能器的谐振频率及其有效机电耦合系数的影响,所得结论为压电超声换能器匹配电路的设计提供了一定的理论依据。     

夹心式纵弯复合模式压电陶瓷超声换能器的研究

对夹心式纵弯复合压电陶瓷超声换能器进行了理论及实验研究，该换能器由金属细棒及纵向极化的压电陶瓷圆环组成。得出了换能器中纵向振动和弯曲振动的共振频率方程。通过修正金属细棒的长度和横截面积，实现了换能器中纵向振动与弯曲振动的同频共振。实验结果表明，换能器的测试频率与计算频率基本符合，而且换能器的纵向频率和弯曲振动频率也吻合。     

AlN压电薄膜换能器性能的仿真研究

在压电换能器的制作中,电极对其谐振和反谐振频率、机电耦合系数及品质因数等重要性能有着直接的影响。该文针对AlN压电薄膜复合结构,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对电极-AlN-不锈钢结构的三维模型进行了压电-结构耦合分析。基于此模型,通过改变电极厚度、材料及压电层的介电和机械损耗等参数,来研究换能器的性能参数变化,研究结果对后续以不锈钢为基底的压电超声换能器的制作起到了一定的理论指导作用。     

不同匹配层阵列式换能器的有限元仿真

匹配层材料及结构对于提高阵列式换能器的带宽、灵敏度及轴向分辨率有重要作用。为了探究不同匹配层材料对阵列式换能器性能的影响,该文通过有限元法模拟了包括高分子材料、0-3复合材料及镁合金等多种匹配层材料的阵列式换能器,综合比较了各自的频域特性及时域特性。仿真结果表明,使用AZ31B镁合金作为第一匹配层、Epo-Tek 301环氧树脂作为第二匹配层的阵列式换能器模型具有最佳的综合性能,从而为高性能阵列式压电超声换能器的开发、研究提供了新的匹配层设计参考方案。     

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

功率超声压电换能器阻抗匹配电路参数化设计

针对功率超声压电换能器,因工作环境变化和负载差异而导致匹配失调,及因匹配参数计算复杂而导致设计效率低、易出错的问题,在分析传统LC匹配电路的基础上设计了一种增加可调元件进行匹配失调补偿的改进型LC匹配电路,提出了一种功率超声压电换能器阻抗匹配电路的参数化设计方法,开发了相应的参数化设计软件,通过实验验证表明,该设计方法和软件为功率超声压电换能器匹配电路的设计提供了一种方便、实用、快捷、可靠的手段。