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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1、硕士学位论文超声波换能器声阻抗梯度匹配层理论与方法的研究THESTUDYONTHEACOUSITICIMPEDANCEGRADIENTMATCHINGLAYEROFULTRANSONICTRANSDUCER朱棵哈尔滨工业大学2015年6月哈尔滨工业大学理学硕士学位论文国内图书分类号：O482.1学校代码：10213国际图书分类号：534密级：公开理学硕士学位论文超声波换能器声阻抗梯度匹配层理论与方法的研究硕士研究生：朱棵导师：张锐教授申请学位：理学硕士学科：凝聚态物理所在单位：理学院答辩日期：20

2、15年6月28日授予学位单位：哈尔滨工业大学-I-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文ClassifiedIndex:O482.1U.D.C:534DissertationfortheMasterDegreeinScienceTHESTUDYONTHEACOUSITICIMPEDANCEGRADIENTMATCHINGLAYEROFULTRANSONICTRANSDUCERCandidate：ZhuKeSupervisor：Prof.ZhangRuiAcademicDegreeAppliedfor：Ma

3、sterofScienceSpeciality：CondensedMatterPhysicsAffiliation：SchoolofScienceDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology-II-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文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

4、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

5、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3.3MRayl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

6、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-I-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文AbstractUltrasonictransducer,akindofenergyconverter,whichhasbeenwidelyusedinmanyfields,cantransformelectric

7、alsignalsintoacousticsignalsaccordingtothepiezoelectriceffect.Thetransducer’smatchinglayerisatransitionlayerbetweenthetransistorandhumanbodies.Itcanachieveacousticimpedancematchingortransition,thusgreatlyimprovetheacoustictransmissionrateandsensitivit

8、yofultrasonictransducer.Thetraditionalmatchinglayerisusuallysingle,andthetransmissionefficiencyofultrasonicisnothigh.Inthispaper,wetrytoprepareasinglelayerofmatchinglayerbycentrifugalmethod.Then,thematchinglayerissetintoagradientmatchinglayert