宽带超声换能器的梯度匹配层设计与制备方法研究

发布时间：2021-05-19 15:26

　　超声换能器是一种能将声信号和电信号相互转化的器件,是超声系统中非常重要的一个部分。超声换能器的核心部件有压电材料、声学匹配层和背衬,而声学匹配层作为一种透声材料,可以实现从压电元件到物体的阻抗过渡,从而大大提高超声换能器的声能透过率和带宽。传统的商业超声换能器中的声学匹配层多为单层,超声波的透射效率不高。本课题试图通过离心的方法制备单层的声学匹配层,继而制备双层和三层声学匹配层,由此来增大传统声学匹配层的透射率,从而提高超声换能器的带宽。同时,由于复合材料领域的蓬勃发展,学者们发现复合材料的设计可以满足声学匹配层的声阻抗要求,所以本课题考虑选用复合材料对梯度声学匹配层进行设计与制备。本课题选用了不同粒径大小、不同填料种类和不同体积分数的填料粉末与环氧树脂基体混合,利用离心的方法,制备了一系列不同声阻抗的声学匹配层。本课题对这些声学匹配层的声速、声阻抗和声衰减规律进行了表征,分析了其变化规律。通过离心法所得到的超声换能器单层声学匹配层的声阻抗范围是3-15MRayl。实验证明了通过离心法制备不同填料种类和不同粒径大小的声学匹配层,可以满足常用声学匹配层的声阻抗范围。本课题在探讨梯度声学匹... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题的研究背景及目的
    1.2 国内外发展现状
        1.2.1 超声换能器及压电效应概述
        1.2.2 声学匹配层的发展现状研究
        1.2.3 国内外文献综述与简析
    1.3 论文主要研究内容
第2章 超声换能器声学匹配层理论分析
    2.1 引言
    2.2 超声换能器理论基础
        2.2.1 超声换能器的组成结构
        2.2.2 超声换能器的性能参数
    2.3 声梯度声学匹配层的理论研究
        2.3.1 声学匹配层透射规律
        2.3.2 声学匹配层材料中的声衰减
        2.3.3 声学匹配层的声阻抗特性研究
        2.3.4 声学匹配层最佳透射条件
        2.3.5 声阻抗梯度声学匹配层理论
    2.4 本章小结
第3章 声学匹配层制备及声学特性研究
    3.1 引言
    3.2 声学匹配层制作方法
    3.3 声学匹配层样品声学特性研究
        3.3.1 接触法测量声学特性原理
        3.3.2 测试所用探头的选用
    3.4 声学匹配层影响因素测试结果
        3.4.1 加热温度对样品声阻抗的影响
        3.4.2 粒径大小对样品声学特性的影响
        3.4.3 填料种类对样品声学特性的影响
    3.5 本章小结
第4章 Piezo CAD软件下的超声换能器仿真
    4.1 引言
    4.2 超声换能器的理论模型
        4.2.1 梅森等效电路
        4.2.2 克里姆霍尔兹等效电路
    4.3 Piezo CAD仿真过程及参数选取
        4.3.1 仿真结构
        4.3.2 仿真参数
    4.4 Piezo CAD仿真结果
        4.4.1 无声学匹配层的模拟结果
        4.4.2 单层声学匹配层的模拟结果
        4.4.3 双梯度声学匹配层的模拟结果
        4.4.4 三梯度声学匹配层的模拟结果
    4.5 本章小结
第5章 超声换能器声学匹配层信号传输特性验证研究
    5.1 引言
    5.2 PZT压电陶瓷预处理
        5.2.1 切片与打磨
        5.2.2 电极制备
        5.2.3 背衬的制备
    5.3 超声换能器性能测试方法
    5.4 不同种类梯度声学匹配层超声换能器的制作与测试
        5.4.1 无声学匹配层的超声换能器的制备与测试
        5.4.2 单层声学匹配层超声换能器的制备与测试
        5.4.3 双层声学匹配层超声换能器的制备与测试
        5.4.4 三层声学匹配层超声换能器的制备与测试
    5.5 声阻连续变化的声学匹配层试做
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于2-2型压电陶瓷复合材料的三匹配层宽带医用超声相控阵换能器研制[J]. 张浩,赵程,史秀梅,曾涛.  机械工程材料. 2020(06)
[2]超声背散射信号递归定量分析无损表征CFRP孔隙分布仿真[J]. 何晓晨,金士杰,林莉.  复合材料学报. 2018(10)
[3]碳纤维增强复合材料应力检测技术[J]. 王伟,张宇民,周玉锋,孟松鹤.  材料导报. 2017(S1)
[4]匹配层影响复合材料换能器带宽的诸因素探讨[J]. 孙少平,王丽坤,仲超,王宏伟.  北京信息科技大学学报(自然科学版). 2015(03)
[5]超声波轴承用挤压式压电换能器的共振频率[J]. 李东明,崔爽,丛琳皓,王道顺,崔玉国.  光学精密工程. 2014(09)
[6]孔隙微观特征影响CFRP力学性能的细观综述[J]. 张冬梅,叶金蕊,刘奎,周晖.  复合材料学报. 2013(S1)
[7]碳纤维复合材料孔隙率及其检测方法[J]. 李建国.  纤维复合材料. 2012(04)
[8]超声纵波法测试铝合金的内部应力[J]. 徐颖梅,董师润,魏勤.  科学技术与工程. 2010(33)
[9]超声技术的基石——超声换能器的原理及设计[J]. 林书玉.  物理. 2009(03)
[10]医用超声换能器的现状与发展前景[J]. 彭友霖,周艳红.  中华医学超声杂志(电子版). 2009(01)

博士论文
[1]碳纤维复合材料孔隙率超声检测与评价技术研究[D]. 李钊.浙江大学 2014

硕士论文
[1]超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[D]. 牛今丹.哈尔滨工业大学 2014
[2]超声换能器的设计理论研究[D]. 曾凡冲.北方工业大学 2013



本文编号：3196001