超声波换能器声阻抗梯度匹配层理论与方法的研究

发布时间：2017-10-06 13:19

  本文关键词：超声波换能器声阻抗梯度匹配层理论与方法的研究

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【摘要】：超声换能器是一种被广泛应用的能量转换器件,可进行声电信号相互转化,其核心的工作原理是压电效应。换能器的匹配层是介于压电晶体和人体之间的过渡层,可以实现从压电晶体到人体的阻抗过渡,从而大大提高换能器的声透过率和灵敏度。传统的匹配层往往是单层的,超声波的透射效率不高。本文试图通过离心的方法制备单层的匹配层,然后再将单层的匹配层集合成为梯度匹配层的方式来增大传统匹配层的透射率。本文分别选用粒径约为5μm的氧化铝粉末和粒径约为2μm的钨粉作为填料,环氧树脂E51作为基体、固化剂为胺类固化剂W93。我们测试了不同匹配层的密度、声速、声衰减和声阻抗,并和用浇铸法制得的匹配层进行了对比。从测试的结果可以看出,匹配层的密度和声阻抗均随填料的体积比增加而线性增加,而声速和声衰减的变化规律则不是线性的。以氧化铝作为填料时,匹配层的阻抗可由3.3 MRayl变化到6.6MRayl。以钨粉作为填料,阻抗可由6MRayl变化到18MRayl。通常的换能器单层匹配层的声阻抗范围是3-15MRayl,本文用离心法制备的单层匹配层基本可满足这些超声换能器的需求。采用离心法制得的样品与浇铸法相比阻抗范围更广,数据更加精确,操作可靠性更高,制备更加方便快捷。可以说,离心法是比浇铸法更好的制备单层匹配层的方法。理论计算表明,具有合适阻抗梯度的匹配层能够比单层匹配层更好地提升换能器性能。本文从透射和反射公式出发,推导了梯度匹配层的最佳透射条件,并将结果和用有限时域差分法得到的结果进行了对比,结果两种方法都表明一种阻抗为指数衰减的匹配层具有优异的性能,这为今后梯度匹配层的实验工作奠定了基础。
【关键词】：超声换能器 匹配层 声阻抗 梯度
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题的研究背景9-10
• 1.1.1 超声换能器概述9
• 1.1.2 压电效应9-10
• 1.2 超声换能器的声学匹配10-16
• 1.3 国内外研究的现状综述16-17
• 1.4 本文研究的主要内容和意义17-18
• 第2章 离心法制备单层匹配层的研究18-33
• 2.1 引言18
• 2.2 浇铸法制备单层匹配层的过程18-19
• 2.3 离心法制备单层匹配层的过程19-22
• 2.3.1 离心法制备匹配层的步骤19-20
• 2.3.2 离心法制得单层匹配层的密度20-22
• 2.4 匹配层声速和声衰减的测试方法22-25
• 2.4.1 脉冲回波法22-23
• 2.4.2 脉冲传输法23-24
• 2.4.3 超声波频谱法24-25
• 2.5 离心法制备Al2O3匹配层的测试结果25-29
• 2.6 离心法制备W匹配层的测试结果29-31
• 2.7 两种制作方法的对比31-32
• 2.8 本章小结32-33
• 第3章 声阻抗梯度匹配层的理论研究33-49
• 3.1 引言33
• 3.2 单层匹配层的最佳透射条件33-36
• 3.2.1 单层匹配层的透射规律33-35
• 3.2.2 单层匹配层的最佳透射条件35-36
• 3.3 多层匹配层的计算36-39
• 3.3.1 多层匹配层的最佳透射条件36-37
• 3.3.2 不同层数匹配层的最大透射率37-39
• 3.4 阻抗连续变化的匹配层的最佳透射条件39-41
• 3.5 有限时域差分法计算连续变化的匹配层41-44
• 3.5.1 有限时域差分法41-43
• 3.5.2 与有限时域差分法计算结果的对比43-44
• 3.7 部分声阻抗梯度匹配层的研究44-48
• 3.7.1 部分声阻抗梯度的透射率44-48
• 3.8 本章小结48-49
• 结论49-50
• 参考文献50-54
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果54-56
• 致谢56

【参考文献】

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1 陈航,张允孟,李志舜;宽频带水下导引系统的水声传感器设计[J];探测与控制学报;2002年01期

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本文编号：982992