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。     

聚焦超声换能器的仿真与性能分析

高频声透镜聚焦超声换能器在电子器件评估与检测、材料微观机械性能表征、生物医学成像、细胞操控等方面具有重要的应用。结构参数是影响其性能的主要因素之一。该文通过有限元法对基于声透镜结构的高频聚焦超声换能器进行仿真模拟,分析了声透镜的开孔角度对该类换能器聚焦区域声压模式、横向分辨率、-6 dB景深等关键性能参数的影响。仿真结果表明,换能器的焦距和横向分辨率与理论计算结果接近。随着声透镜开孔角度的增大,换能器的横向分辨力随之提高,焦点处声压级逐渐增大,-6 dB景深逐渐下降。这为声透镜聚焦超声换能器的优化设计提供了一定的技术基础。     

宽带高灵敏水声换能器的研究

为了提升声纳系统的探测性能，该文从扩展水声换能器带宽和提高灵敏度两方面出发，研制了一种“金字塔”结构的宽带高灵敏水声换能器，并选择单金属板空气柱型压电材料作为宽带高灵敏换能器的有源材料。对敏感元件进行机电等效分析和有限元仿真，获得压电材料尺寸的优选范围。根据多模耦合理论设计了“金字塔”型的换能器敏感元件结构。通过建立换能器的制作工艺流程，研制出宽带高灵敏换能器样机。测试结果表明，发送电压响应最高为182.9 dB,发射带宽为170 kHz,接收灵敏度最高达到-173.7 dB,接收带宽为110 kHz,-6 dB波束开角为8.1°。     

基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。     

超声应力换能器指向性校准方法研究

超声应力换能器指向性对超声应力检测精度具有重要影响。该文提出了半圆柱试块法,被校换能器向半圆柱试块内部辐射声波,接收换能器在试块圆柱面各角度接收到信号,分析得到被校换能器的指向性。利用半圆柱试块法校准得到纵波换能器指向性,其-3 dB波束宽度为5.01°,这与水听器法测量值、理论值相对偏差分别为3.09%、2.66%。利用半圆柱试块法校准得到临界折射纵波换能器指向性,其-3 dB波束宽度为10.55°,这与仿真值相对偏差为2.23%。半圆柱试块法更符合超声应力的实际使用工况,不受换能器水密性、换能器工作原理等限制,适用于任意型号超声应力换能器,且校准更高效、快捷。     

平坦通带高频纵向耦合谐振滤波器的研制

应用耦合膜理论,重点研究了纵向耦合谐振滤波器耦合换能器与输入/输出换能器间距对纵向耦合谐振滤波器通带波纹的影响,探讨了制作纵向耦合谐振滤波器中金属铝的干法刻蚀工艺。基于理论模拟得出的结论,文中给出了中心频率为900MHz纵向耦合谐振滤波器频率响应的计算模拟结果和实验测试数据。测得1dB带宽25.9MHz,3dB带宽28.7MHz,阻带抑制达到50dB,插入损耗3.85dB,通带波纹小于0.7dB。实验结果与理论分析相吻合。     

超快激光制备高频1-3型PIN-PMN-PT复合材料超声换能器

与其他压电材料相比,1-3型压电单晶复合材料具有优异的压电性能和更匹配的声学特性,更有利于制备出性能优异的超声换能器。该文通过有限元软件COMSOL对复合材料的振动模态及阻抗特性进行了系统的研究,同时采用皮秒激光制备了高频1-3型Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)铁电单晶/环氧树脂复合材料,并进行了性能表征。该1-3复合材料机电耦合系数为0.65,声阻抗为19.96 MRayls。该复合材料可用于制备高频超声换能器,结果表明,换能器中心频率为17.68 MHz,-6 dB带宽为84.38%,插入损耗为-25.4 dB。     

声表面波纵向耦合谐振滤波器通带特性研究

在理论方面,作者应用COM理论分析研究了纵向耦合谐振滤波器通带波纹大小和耦合换能器与输入/输出换能器间距离的关系。在工艺上,作者采用剥离工艺制作了相应的纵向耦合谐振滤波器,并给出了所设计的纵向耦合谐振滤波器频率响应的测试结果。实验测得样品滤波器中心频率为895 MHz,1 dB带宽40.5 MHz,阻带抑制达到47 dB,插入损耗3.8 dB,通带波纹小于0.9 dB。实验与理论分析比较一致。     

串叠复合材料圆环阵水声换能器设计及制备

提出了一种新型高频宽带压电复合材料圆环阵换能器,综合采用了压电复合材料和多模耦合振动来拓展换能器带宽。通过ANSYS软件对其进行有限元建模仿真,得到了该换能器谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件最优设计方案。由最优参数加工得到用于叠堆的两个压电复合材料圆环,并将两压电复合材料圆环轴向叠堆,最终制作了双圆环叠堆压电复合材料水声换能器。经测试,该新型换能器形成了明显的双模耦合振动,其-3dB工作带宽为320~410kHz,最大发送电压响应达147.8dB。研究结果表明,利用复合材料和多模耦合振动可以大幅度拓展高频换能器的带宽。     

SAW倒相/色散换能器宽带信号产生与处理研究

报道了一种基于声表面波(SAW)技术实现的宽带信号产生与处理器件。器件创新性地采用倒相叉指换能器(PRT)与色散叉指换能器(DIDT)声直耦合结构,实现了器件25%超大相对带宽下的高压缩主副瓣比(35dB)和满足系统使用要求的插入损耗(34dB)等性能指标。     

蜂窝夹芯结构脱粘的空气耦合超声检测技术研究

针对当前蜂窝夹芯结构超声无损检测效率低及耦合剂污染等问题,该文提出了使用空气耦合超声透射法进行检测并成像。首先利用COMSOL建立了二维蜂窝夹芯结构空气耦合超声检测模型,通过置入不同大小空气层以模拟实际脱粘缺陷。仿真结果表明,与无缺陷相比,脱粘后超声信号幅值变小,且缺陷越大,超声信号幅值越小。其次制定空气耦合超声透射实验方案,使用频率为200 kHz空气耦合超声换能器对不同脱粘面积进行实验研究,实验结果与仿真结果趋势相同,验证了该方法的有效性。最后搭建了空气耦合超声C扫描系统,对不同大小脱粘缺陷进行超声C扫描成像。成像结果表明,该方法最小可显示9 mm的脱粘缺陷轮廓,解决了蜂窝夹芯结构的脱粘无损检测。     

薄球壳压电换能器设计与制作

介绍一种采用径向极化空气背衬压电薄球壳作为声敏感元件的球形换能器。首先,对其低频接收灵敏度和谐振频率等声学特性进行理论分析和有限元仿真;其次,根据分析和仿真结果,采用硫化工艺制作一只球形换能器;最后,对换能器的声学性能进行测试。结果表明,制作的球形换能器低频接收灵敏度为-203.7 dB,80 kHz以内起伏小于±2.5 dB;最大发送电压响应可达147.6 dB。该球形换能器可作为宽带接收水听器和全向发射声源使用。     

一种六边形结构的电容式微机械超声换能器性能分析

为满足超声技术领域对宽频带超声换能器的迫切应用需求,研究了一种新型的六边形结构电容式微机械超声换能器(CMUT)。介绍了CMUT的结构参数与工作原理,采用晶圆键合工艺完成了CMUT的制备,对CMUT的电容-电压特性、电导特性、电纳特性、相位特性、阻抗特性与接收灵敏度进行了测试。测试结果表明,该六边形CMUT具备发射与接收超声波的能力,谐振频率随直流偏置电压增大而减小,接收灵敏度可达-225.97 dB(频率1 MHz),且在频率1～10 MHz内一致性较高,变化量为-2.84 dB,显示出其宽频带特性。该研究可为后续二维六边形结构CMUT阵列的优化设计和性能分析提供有力依据。     

采用Y-41°LiNbO_3的宽带低损耗声表面波滤波器

本文介绍一种用Y-41°LiNbO_3作基片的宽带声表面波低损耗滤波器,它采用U型多条耦合单向换能器(UMSCU-UDT)和镜象阻抗连结耦合换能器结构,其性能是3dB相对带宽达10%,插人损耗≤7dB,带外抑制≥50dB.     

超声内窥合成孔径成像技术的研究

将广泛应用于雷达系统的合成孔径技术引入超声内窥成像系统,提出一种基于单换能器探头的超声内窥镜合成孔径成像方法。利用单换能器探头的旋转效应,在旋转的不同时刻与位置发射并接收超声回波,等效合成较大的超声发射孔径,以增强超声图像的信噪比与分辨率。分析了单探头合成孔径技术的原理与合成方法,并在此基础上根据超声回波的编码与线性调频特性,完成纵向与横向的脉冲压缩。最后采用中心频率为8 MHz的换能器对猪皮样本进行探测,可分辨出尺寸为0.8 mm×2 mm的目标,系统的信噪比提升了9.38 dB。     

基于Leach模型的空气耦合超声换能器声阻抗匹配特性研究

压电陶瓷与空气之间的声阻抗差异巨大，导致声波在固-气介质间的能量传输效率低，研究匹配层特性对提升换能器能量传输效率具有重要意义。文章通过Leach模型仿真，研究了空气耦合超声换能器阻抗与瞬态响应，并搭建实验平台进行测试验证。仿真和实验结果表明，增加一层匹配层可将接收信号幅值增大约280%,增加两层匹配层可将接收信号幅值增大约363%。通过采用经声阻抗匹配后的换能器对碳纤维板缺陷进行检测，能明显检测出深度为0.5 mm、直径为1 mm凹槽缺陷的变化，验证了通过等效电路模型研究换能器匹配特性方法的有效性。     

换能器匹配层参数优化方法的研究

匹配层技术是提高压电超声换能器性能的重要方法,获得宽带、高灵敏度超声换能器是换能器领域研究者的目标。该文以KLM模型为基础对换能器进行建模,得到换能器性能的评价函数。利用参数扫描法得到了单层匹配层的最优参数。计算表明,匹配层厚度比声阻抗率对匹配效果影响更大;匹配层材料的声衰减对换能器性能有负面影响。根据优化结果,实际制作的以水和聚苯乙烯为工作介质的2.5 MHz换能器,-6dB带宽分别达到了94.3%和100.8%。     

海军舰艇军医业务支持系统设计

介绍了一种新型的基于高性能锆钛酸铅(PZT)厚膜(压电常数d31约为-280 pm/V)的微机电系统(MEMS)压电超声换能器.基于有限元法,对该种压电超声换能器进行了模拟设计.优化结果表明,边长2 mm的超声换能器,优化后其共振频率约为170 kHz,有效机电耦合系数可达7.19%.此外,根据模拟结果,制备了超声换能器并进行了测试,共振频率为119 kHz的换能器,其有效机电耦合系数最大为6.39%,共振时中心振幅约为4.8 μm@50V,并分析了模拟结果与实验结果产生误差的原因.     

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。     

压电微型超声换能器阵列设计及焊缝检测应用

针对现有焊缝检测存在换能器尺寸大,带宽窄,成本高和应用灵活性差等局限,该文研制出一种八通道压电微型超声换能器阵列探头。阻抗频率和回波特性测试结果表明,理论模型能有效地指导超声换能器阵列设计,工作频率偏差不超过2%,-6 dB相对带宽可达87.85%。利用探头实现了对25 mm厚度的标准对接钢板试块内部缺陷的准确识别,检测分辨率优于1 mm。该探头体型小且各阵元能独立或协同工作,扫描模式应用灵活,可为焊接钢板的健康监测提供技术参考。