基于横向振动模式的超声换能器研究

发布时间：2020-06-09 08:36

【摘要】：利用压电材料具有多种振动模式的特性,将基于厚度振动模式工作的压电元件转换为基于横向振动模式工作,在此过程中,压电元件振动方向不变,电极面积增加,间距减小从而其固定电容增加,电阻抗降低。将多层结构、横向振动模式的压电元件用于制作针式超声换能器,利用针式换能器的小体积、轻质量的特点,结合多层结构、横向振动模式方法构造的压电元件低频率、低阻抗、高强度的优点,设计与制作可用于小动物多点神经刺激的超声换能器。本文主要研究了一种基于多层结构、横向振动模式的低频压电式超声换能器的理论设计、制作与测试。(1)提出一种多层结构、横向振动模式的压电元件构造方法,采用改进的多层结构制备方法。通过磁控溅射法制备压电元件电极,使得多层结构电极引出更加便捷,不需要多余的中间夹层结构即可有效引出内表面电极。(2)研究了一种基于双层结构、横向振动模式压电元件的阻抗特性。在其他条件不变时,增加压电元件长度(l)与厚度(t)、降低压电元件宽度(w)均可以降低其谐振频率处的电阻抗。从实验和仿真两个角度验证了双层结构、横向振动模式构造方法可以有效降低压电元件谐振频率处的电阻抗。(3)设计一款直径为1.6 mm,质量约为0.2g,工作频率为820kHz,目标区域声压达到0.3MPa的针式超声换能器。其压电元件材料为PZT-5H,尺寸(长、宽、高)分别为0.6mm、0.6mm、1.65mm,采用8层结构、横向振动模式构造,相对于单层结构、厚度振动模式压电元件电阻抗大幅降低,电学性能优异。针式超声换能器在频率为820kHz,输入电压幅值为150V,输入正弦信号周期数为20时,轴向距离3mm处的声压最大幅值为240kPa是对照组声压最大幅值51kPa的4.7倍,声学性能优异。采用离体小鼠颅骨测量其经颅性能,超声声束经过小鼠颅骨时几乎没有衰减和位移,换能器穿颅性能良好,可以用作小动物超声神经刺激,并且其体积小、质量轻、声压强的优点可以应用于小鼠多点神经刺激。
【图文】：

正、逆压电效应[17]

超声换能器基本结构
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB552

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本文编号：2704427