基于1-3型压电复合材料的高频球形单阵元超声换能器的设计

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1、議Ｊｍ，巧參柄觀＾專圍Ｉ硕±学位论文圍應国基于１－３型压电复合材料的髙频球形单阵元超声德器的设计ｍｍ＾ｍＳｓｔ．＾＾ｇ＾作者姓名郭瑜騰学校导师姓名、职琼崔明涛副教授？企业导师姓名、职孫李永川高工＾申请学位类别工涯硕±西安电子科技大学学位论文独创性（或创新牲）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学遭德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加Ｗ标注和致谢中所罗列的内容＾文外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获

2、得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同事对本研巧所做的任何贡献巧己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处一，本人承担切法律贵任。苗险之Ｗ本人签名：评日期：西安电子撇大学关于论文使用授权的说明，本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许査阅、借阅论义；学校可臥公布论文的全部或部分内容，化许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，研结合学位论究完文

3、成果成论、果，署西。的文发明专利等成名单位为安电子科技大学保密的学位论文在年解密后适用本授权。＿＿书＾＾；；私签名本人签名导师－屋／４許爷么Ｌ成：：日期日期学校代码10701学号1304122114分类号TN712密级公开西安电子科技大学硕士学位论文基于1-3型压电复合材料的高频球形单阵元超声换能器的设计作者姓名：郭瑞彪领域：机械工程学位类别：工程硕士学校导师姓名、职称：崔明涛副教授企业导师姓名、职称：李永川高工学院：机电工程学院提交日期：2015年12月DesignofHighFrequencySphericalSingleElemen

4、tUltrasonicTransducerBasedon1-3PiezoelectricCompositeAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinMechanicalEngineeringByGuoRuibiaoSupervisor:CuiMingtaoAssociateProfessorLiYongchuanSeniorEngineerFebruary2015摘要摘要超声换能器是医学成像设备上关键的组件之一，仍然存在很多工艺

5、瓶颈有待突破。基于1-3型压电复合材料的球形单阵元超声换能器相对于传统的单晶材料换能器有很大的优势。开发的换能器有低的声阻抗、小的介电常数、大的带宽值和高的机电转换效率等优势。球形超声换能器不用添加声透镜来聚焦，减少了超声传播过程中能量的损耗，可以获得优异的声场特性。使超声换能器不仅具有好的波束性能，而且具有较高的分辨率和灵敏度。首先，本文介绍了超声换能器、球形单阵元超声换能器及压电复合材料的概念和背景。通过分析国内外发展现状，讨论了本文的研究内容和意义，并提出1-3型压电复合材料的高频球形单阵元超声换能器的研究技术路线。其次，介绍了压电复合材料和压力声学基本理论。首次

6、使用COMSOL有限元软件创建了1-3型压电复合材料和球形换能器的优化模型。通过仿真分析，优化了压电复合材料的各项参数和换能器的匹配层厚度，并研究了换能器的声场特性。随后，以1-3型压电复合材料仿真得到的优化参数为理论基础，通过改进的切割填充法制备压电复合材料。并使用磁控溅射的方法制备其表面电极，再进行材料的表征分析。得出1-3型压电复合材料的相对介电常数、机电耦合系数、声阻抗值、纵波声速等参数，并与仿真结果进行比较。最后，以制备出的1-3型压电复合材料为基础和换能器仿真设计得到的优化参数为指导，来制备基于1-3型压电复合材料的高频球形单阵元超声换能器。通过对传统工艺的

7、研究，提出一种新的解决方案，使制备过程更加可靠并且易操作。再通过脉冲回波实验测试换能器样品的参数，其中心频率、带宽和焦距基本达到预期的设计指标。通过以上研究发现，COMSOL有限元仿真分析的结果与实验结果基本保持一致，切缝的填充物、压电相的宽高比和匹配层的厚度对压电复合材料和换能器的性能有很大的影响。本文不仅提供1-3型压电复合材料的仿真研究方法和换能器的仿真设计思路，而且提供了一种新的球形单阵元超声换能器的制备方法。本文为以后的复合材料球形单阵元超声换能器的深入研究打下了坚实的基础，也为其他换能器的设计提供了参考。关键词：1-3型压电复