电容式微机械超声传感器(CMUT)声场特性分析.pdf

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1、2016正仪表技术与传感器2016第12期InstrumentTechniqueandSensorNo．12电容式微机械超声传感器(CMUT)声场特性分析王朝杰，王红亮，段培盛，陈一波，胡晓峰(1．中北大学，电子测试国家重点实验室，山西太原030051；2．山西古交西山义城煤业有限责任公司，山西太原030203)摘要：为研究CMUT指向性，将CMUT微元看成圆形活塞式换能器，根据指向性函数的理论，计算出CMUT微元的指向性公式，依据Bridge乘积原理，推导出了一种计算cMuT阵元、CMUT一维线阵和CMUT面阵指向性公式，并利用MATLAB软件

2、对CMUT微元、阵元、线阵和面阵指向性进行了仿真分析，得出CMUT类型对指向性、主瓣宽度和旁瓣的影响，证实了多维模型的优势，为CMUT结构优化设计提供了基础。基于CMUT微元声场理论分析基础，根据瑞利一索末菲积分公式推导出CMUT阵元、CMUT阵列的辐射声场分布函数。并仿真验证了其聚焦和指向性性能。关键词：电容式微机械超声传感器(CMUT)；声场；指向性；MATLAB；仿真中图分类号：TB565．1文献标识码：A文章编号：1002—1841(2016)12—0001—04AnalysisofSoundFieldCharacteristicofCa

3、pacitiveMicromachinedUltrasonicTransducer(CMUT)WANGChao-jie，WANGHong．1iang，DUANPei，sheng，CHENYi—bo，HUXiao．feng(1．NoahUniversityofChina，NationalKeyLaboratoryofElectronicMeasurementTechnology，Taiyuan030051，China；2．XishanCoalElectricityGroupCo．，Ltd，Taiyuan030203，China)Abstract：R

4、egardingtheCMUTmicrovibrationcellascircularpistontransducerandcalculatingthedirectivityformulaofCMUTmicrovibrationcellaccordingtothedirectivitytheory，thendirectivityformulascalculatingCMUTarrayelement，one—di—mensionallineararrayandplanararraybasedontheprincipleofBridgeproduct

5、werederived．ItwasconcludedthattheCMUTtypehadaninfluenceondirectivity，widthofthemainlobeandsidelobe，whichconfirmedthesuperiorityofthemultidimensionalmodelandprovidedthebasisfortheCMUTstructureoptimizationdesign．BasedonCMUTinfinitesimalfieldtheoryanalysis，CMUTelementandCMUTarra

6、yacousticradiationdistributionfunctionwasderivedaccordingtotheRayleighSommerfelddif-fractionintegralformulaandthesimulationresultsverifytheperformanceofthefocusanddirectiVity．Keywords：capacitivemicromachinedultrasonictransducers(CMUT)；acousticfields；directivity；MATLAB；simulat

7、ion0引言传感器(CMUT)具有结构简单、体积小、自身噪声低、海洋测绘是对海洋表面及海底的形状和性质进灵敏度高、高分辨率、硅材料与介质阻抗匹配好等特行准确测定和描述的学科．是一切海洋活动及开发的点I7，在水下三维成像领域有着广阔的应用前景，终基础[1]。水下三维成像在海底资源勘探、水下地形将取代传统的压电式超声传感器成为市场主流产品。地貌探测、海底管道检查、蛙人探测、水中物体观测、1电容式微机械超声传感器工作原理水下目标识别、水下避障和导航等方面有着广泛的应在超声成像系统中．最小基础单元是CMUT微用，是潜水器的重要装备_3]。三维成像声呐与传

8、统元，其结构如图1所示。微元由基座、绝缘层、真空腔、二维成像声呐相比，增加了图像的深度信息[6]．能够振动膜、金属上电极、边缘支撑等几部