CN100460871C - 制造换能器的方法和声能传输装置以及使声能匹配的制品 - Google Patents

Abstract

本发明的若干实施例中，提供一种方法(100，300)，在目标媒体(230)与声源(210)之间制造多个内插的阻抗匹配层(215，220，225)，借此，内插的阻抗匹配层(215，220，225)使得声能从声源(210)或换能器(110)到目标媒体(230)中有最佳的传输效率。

Description

制造换能器的方法和声能传输装置以及使声能匹配的制品

技术领域

本发明一般地涉及声源和超声换能器，具体涉及具有最佳声阻抗匹配的超声换能器，以及使此类装置达到最佳声阻抗匹配的方法。

背景技术

一个声源将信号传输入目标材料时，如果在声源与目标材料之间声阻抗不匹配，将损失许多声能。例如，医疗超声学中，用作为换能器的比如典型的压电超声源其声阻抗大约为34×10⁶kg/m²·s，而医疗场合下作为目标的人体的声阻抗类同于水的声阻抗，为1.5×10⁶kg/m²·s。本技术领域内众所周知，能量反射系数等于两个声阻抗之差除以这两个声阻抗之和、再取所得到数值的平方。如此，声阻抗不匹配时将导致在肌肤组织与换能器之间的界面上大约84％的声能被反射。对于上面的例子，声能反射系数约为0.84，这意味着，大致84％的入射声能被反射。此种严重问题的解决办法周知地是在肌肤组织与换能器之间安置“四分之一波长匹配层”。安置于压电晶体表面上的此种匹配层其声阻抗应为声源声阻抗和目标肌肤声阻抗两者的几何平均值，其厚度应等于匹配层内声波四分之一波长的奇数倍。以数学符号表示时，令Z₀代表压电晶体的声阻抗，Z₂代表目标肌肤的声阻抗，则匹配层的声阻抗Z₁由下式给出：

Z₁＝(Z₀Z₂)^1/2        [1]

匹配层厚度L₁由下式给出：

L₁＝(2n-1)λ₁/4       [2]

式中，λ₁为介质1内的声音波长，n为整数。

本技术领域内，四分之一波长匹配层的理论基础是周知的，在声学文献、超声工程有关文献和医学成像有关文献内有充分的说明，它反映平面波从一种介质通过一个中间层进入另一种介质时声学理论方面经典边界值问题的一种求解法。该边界值问题的求解是这样的，如果中间层满足式(1)和式(2)的条件，则在第一介质内传播的声能将100％地传输入第二介质中。尽管该解析结果严格地说只对单一频率有效，但本领域内的实验结果报告表明，即使对具有宽阔频谱的广带宽装置来说，也可从应用此种匹配层中很大地获益。

如果阻抗不匹配不是太大，四分之一波长匹配层能提供可行的解决办法。例如，在上面所述的医疗超声场合中，由式(1)得出的匹配层阻抗大约为7×10⁶kg/m²·s。这一阻抗在本领域内已知是可做到的，它合适地处于能用作匹配层的一些橡胶和塑料材料的声阻抗范围内。今天，在医疗界和工业界的超声应用中，此种单个的匹配层得到广泛应用。

另一方面，如果两种材料之间的阻抗不匹配程度大，则四分之一波长匹配层不再能构成实际解决办法。例如，希望使声阻抗为34×10⁶kg/m²·s的典型的压电换能器与声阻抗为415kg/m²·s的空气进行匹配，则按照式(1)示明的关系式，将要求单个匹配层的声阻抗为0.12×10⁶kg/m²·s。可是，本领域内已知没有适宜的材料具有这所需的阻抗值，因此，要求有某种其他的方法。

虽然，提出了一些方法以实际改善在具有完全不同声阻抗的两种材料间实现现代技术水平的声学匹配，但它们都被证明在声能传输中是专用性的和效率不高的。现代技术水平中，人们采用微薄到大约10μm厚、中间包含空气的紧绷塑料膜，用以覆盖具有干燥平坦面的100kHz换能器。这种方法的报告中称，不牺牲响应带宽下有10dB的增益。一种不同的方法是添加极细微的环氧树脂球粒，制成低阻抗匹配材料应用于换能器正面。据报道，此种场合的改善情况可使频率高到1MHz。现代技术水平的方法中，典型地包括一种特殊的橡胶材料，制成四分之一波长时一定程度上能解决换能器与空气间的阻抗不匹配问题。并可制作两个匹配层，其中，当第一层不是最佳时，可找到最优的第二层。典型地，第一层由其中包含50μm直径气泡的橡胶(例如，GE RTV 615)构成。这样一种方法中，两个匹配层有一个优化准则，即从声源到目标介质间的声阻抗应是单调递变的。虽然，它依然不是最佳匹配，但该方法比之前述方法表现为能给出较宽的带宽性能。另一个建议提出一种非单调的多层匹配层，已证明它只对窄带匹配有效。另一个方法中，由声阻抗逐渐增大或减小的许多薄层按组合的意义形成匹配层。该方法中，由薄到1/30的波长的各层构成总的匹配层。有一种方法是用容易得到的材料构成多层匹配层，可使大约450kHz的换能器与空气匹配，应用于非接触式、非破坏式的钢材测试中。最后，2001年11月6日颁发给Mahesh Bhardwaj的美国专利US Pat.No.6，311,573中说明了一种匹配层，它由若干层构成，其中，标准的压电换能器可与空气大致匹配。一个典型例子中，在压电锆酸铅-钛酸铅(PZT)构件上涂覆铝和硬环氧树脂，并最后加上包覆粘土的纸。人们将Bhardwaj作为现代技术水平的代表，Bhardwaj提供几个专门例子，使诸如PZT之类的压电晶体与空气匹配。Bhardwai在他给出的实例1中说明(第4列第38-57行)：

“1MHz的换能器可以如下地构成：

压电材料：PZT，Z₀＝34×10⁶kg/m²·s；

第一透射层：铝，V＝6325m/s，Z₁＝17×10⁶kg/m²·s，P/8@1MHz＝1000/8＝125ns，式中，1000ns为一个周期，P是单位为MHz的频率。

所以，该透射层的厚度为125×10^-9×6,325,000＝0.79mm。

第二透射层：硬环氧树脂，V＝2600m/s，Z₂＝3×10⁶kg/m²·s，P/16@1MHz＝1000/16＝62.5ns。

所以，该透射层的厚度为62.5×10^-9×2,600,000＝0.16mm。

面层：包覆粘土的纸，V＝500m/s，Z₃＝0.6×10⁶kg/m²·s，P/16@1MHz＝1000/16＝62.5ns。

所以，该层的厚度为62.5×10^-9×500,000＝0.03mm。”

在该具体实例中，应用三个匹配层使PZT与空气匹配。下面的表1简要列出该方法的声阻抗。这里，从PZT传输入空气的声能小于20％。

表1

 

	声阻抗(kg/m<sup>2</sup>·s)
		声源：Z<sub>0</sub>(PZT)	34×10<sup>6</sup>
第一层：Z<sub>1</sub>	17×10<sup>6</sup>
		第二层：Z<sub>2</sub>	3×10<sup>6</sup>
第三层：Z<sub>3</sub>	0.6×10<sup>6</sup>
		目标媒体：Z<sub>5</sub>(空气)	415

Bhardwaj的实例2中说明(第5列第1-16行)：

“按照本发明的换能器可由多部分透射层构成，如下面所列：

压电层(PZT)，Z₀＝34×10⁶kg/m²·s

铝层：Z₁＝17×10⁶kg/m²·s

铝复合层：Z₂＝7×10⁶kg/m²·s

环氧树脂层：Z₃＝3×10⁶kg/m²·s

纸质面层：Z₄＝0.3×10⁶kg/m²·s”

这里，应用四个匹配层，使PZT与空气匹配。下面的表2简要列出Bhardwaj第二实例的声阻抗，其声能传输效率小于20％。

表2

 

	声阻抗(kg/m<sup>2</sup>·s)
		声源：Z<sub>0</sub>(PZT)	34×10<sup>6</sup>
第一层：Z<sub>1</sub>	17×10<sup>6</sup>
		第二层：Z<sub>2</sub>	7×10<sup>6</sup>
第三层：Z<sub>3</sub>	3×10<sup>6</sup>
		第四层：Z<sub>4</sub>	0.3×10<sup>6</sup>
目标介质：Z<sub>5</sub>(空气)	415

上面的方法是在专门的状态下完全由实验得出的，没有任何原始基础和解析框架。在制造换能器和其他声源上仍然需要坚实地具有最佳的理论解决办法，使声源与目标媒体之间的声阻抗匹配。

发明内容

本发明提供一种制造带有三个或更多阻抗匹配层的换能器的方法，包括步骤：提供具有声源阻抗Z₀的压电元件；选择目标媒体，它具有目标阻抗Z_(N+1)；确定匹配层数目N，N为大于2的一个整数；以及对于增量为1、从3直到规定的匹配层数目N的每一个匹配层J，按照下式确定所需的阻抗Z_J：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

选择实质上具有所确定的所需阻抗Z_J之匹配层J的材料，其中，对匹配层J选定的材料内具有声速以及与该匹配层J内声速关联的波长λ_J；确定一个正整数值n_J，并按照下式对匹配层J的选定材料确定厚度L_J：

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4

以及，将厚度L_J的匹配层J施加到多个匹配层上，该多个匹配层是先前施加到换能器的压电元件上的。

本发明还提供一种制造带有多个阻抗匹配层的换能器的方法，包括步骤：由一个声源在具有一个声阻抗的第一媒体内产生声压；用一个接收换能器测量由该声源在第一媒体内产生的声压；由该声源在具有一个声阻抗的第二媒体内产生声压；用该接收换能器测量由该声源在第二媒体内产生的声压；以及根据第一媒体的声阻抗Z_A、第二媒体的声阻抗Z_B、接收换能器测得的第一媒体内的声压P_RA以及接收换能器测得的第二媒体内的声压P_RB，按下面的关系式确定导出的有效声源阻抗Z_EFF：

Z_EFF＝[Z_B-{[P_RA/P_RB]/[Z_B/Z_A]}Z_A]/[{[P_RA/P_RB]/[Z_B/Z_A]}-1]

选择目标媒体，它具有目标阻抗Z_(N+1)；确定匹配层数目N，N为大于1的一个整数；以及对于增量为1、从1直到规定的匹配层数目N的每一个匹配层J，按照下式确定所需的阻抗Z_J：

Z_J＝Z_EFF ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

选择实质上具有所确定的所需阻抗Z_J之匹配层J的材料，其中，对匹配层J选定的材料内具有声速以及与该匹配层J内声速关联的波长λ_J；确定一个正整数值n_J，并按照下式对匹配层J的选定材料确定厚度L_J：

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4

以及，将厚度L_J的匹配层J施加到换能器的压电元件上或先前施加到压电元件上的匹配层上。

本发明还提供一种将声能传输至具有一个目标阻抗Z_(N+1)的目标媒体内的装置，该装置包括：一个具有声源阻抗Z₀的压电元件，以及三个或更多个匹配层N；其中，三个或更多个匹配层之每一层具有按照下式给出的所需阻抗：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

并具有波长λ_J；且其中，三个或更多个匹配层之每一层具有按照下式给出的厚度：

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4

其中，n_J是一个正整数；以及，其中，该三个或更多个匹配层粘合到压电元件上。

本发明还提供一种用于使声能从具有阻抗Z₀的声源到具有目标阻抗Z_(N+1)的目标媒体之间实现匹配的制品，该制品包括：三个或更多个匹配层N，其中，该三个或更多个匹配层之每一层J具有按照下式的所需阻抗Z_J：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

并具有波长λ_J。

在本发明的若干实施例中，包括制造具有多个阻抗匹配的换能器的方法，它包括步骤：提供具有声源阻抗Z₀的压电单元；选择具有目标阻抗Z_(n+1)的目标媒体；确定匹配层数目N，其中，N是一个大于1的整数；以及，对于增量为1、直至规定的匹配层数目N的每一个匹配层J作出如下处理：根据对N个匹配层解决边界值问题的方法确定所需的阻抗；对于实质上具有所确定的所需阻抗Z_J的匹配层J，选择其材料，其中，对匹配层J选定的材料具有声速V_J以及与匹配层J中声速关联的波长λ_J；对于匹配层J，确定所选定材料的一个正整数n_J和材料厚度L_J，将厚度L_J的匹配层J施加到换能器上。

制造具有多个阻抗匹配层的换能器的方法中还包括：由一个声源在具有一个声阻抗值的第一介质内产生声压；利用一个接收换能器测量由该声源在第一介质内产生的声压；由该声源在具有一个声阻抗值的第二介质内产生声压；利用该接收换能器测量由该声源在第二介质内产生的声压；以及，根据第一介质的声阻抗、第二介质的声阻抗，由接收换能器在第一介质内测得的声压和接收换能器在第二介质内测得的声压，确定得到的有效声源阻抗。

附图说明

为进一步了解本发明的特性和目的，可结合附图参阅下面的详细说明。各附图中，对于相象的单元给予同样或类似的参考号，其中：

图1的流程图示明本发明的优选方法实施例；

图2示明按照本发明的多匹配层换能装置实施例的例子；以及

图3的流程图示明本发明中确定有效声源阻抗的优选方法。

具体实施方式

在本发明的若干实施例中，包括带有匹配层和声阻抗最佳匹配的换能器，以及达到最佳匹配的方法。下面的例子中的每一个，无论说明的是由一层或几层构成的内插媒体，均表明在换能声源与目标媒体之间的内插媒体具有最佳的阻抗匹配。实践中，匹配层数目的选择取决于在具体实施上所需阻抗的范围和数值。确立最佳的多匹配层优选方法时，实际上依靠单匹配层中典型地应用的原始边界值方程，将其方法予以推广。下面公开的方法和所得结果属于多匹配层，它解决的边界值问题可对两个或多个内插层提供最佳的解决办法，该方法可推广至N个匹配层。对每一层产生的阻抗值都是最佳的，应用它们来指导材料选择时，对于来自换能器声源的声能可给出最大传输效率。

例子1中，在具有阻抗Z₀的声源层与具有阻抗Z₂的目标媒体之间内插单个匹配层。该匹配层的所需阻抗Z₁决定于声源阻抗Z₀的平方根与目标媒体阻抗Z₂的平方根两者之积，即

Z₁＝(Z₀Z₂)^1/2    [3]

例子2中，在具有阻抗Z₀的声源层与具有阻抗Z₃的目标媒体之间内插两个匹配层。第一匹配层的所需阻抗Z₁决定于声源阻抗Z₀之立方根的平方与目标媒体阻抗Z₃的立方根两者之积，即

Z₁＝Z₀ ^2/3Z₃ ^1/3   [4]

类似地，第二匹配层的所需阻抗Z₂决定于声源阻抗Z₀的立方根与目标媒体阻抗Z₃之立方根的平方两者之积，即

Z₂＝Z₀ ^1/3Z₃ ^2/3   [5]

例子3中，在具有阻抗Z₀的声源层与具有阻抗Z₄的目标媒体之间内插三个匹配层。第一匹配层的所需阻抗Z₁决定于声源阻抗Z₀的3/4次幂与目标媒体阻抗Z₄的1/4次幂两者之积，即

Z₁＝Z₀ ^3/4Z₄ ^1/4   [6]

类似地，第二匹配层的所需阻抗Z₂决定于声源阻抗Z₀的平方根与目标媒体阻抗Z₄的平方根两之积，即

Z₂＝Z₀ ^1/2Z₄ ^1/2   [7]

相仿地，第三匹配层的所需阻抗Z₃决定于声源阻抗Z₀的1/4次幂与目标媒体阻抗Z₄的3/4次幂两者之积，即

Z₃＝Z₀ ^1/4Z₄ ^3/4   [8]

例子4中，在具有阻抗Z₀的声源层与具有阻抗Z₅的目标媒体之间内插四个匹配层。第一匹配层的所需阻抗Z₁决定于声源阻抗Z₀的4/5次幂与目标媒体阻抗Z₅的1/5次幂两者之积，即

Z₁＝Z₀ ^4/5Z₅ ^1/5   [9]

类似地，第二匹配层的所需阻抗Z₂决定于声源阻抗Z₀的3/5次幂与目标媒体阻抗Z₅的2/5次幂两者之积，即

Z₂＝Z₀ ^3/5Z₅ ^2/5   [10]

相仿地，第三匹配层的所需阻抗Z₃决定于声源阻抗Z₀的2/5次幂与目标媒体阻抗Z₅的3/5次幂两者之积，即

Z₃＝Z₀ ^2/5Z₅ ^3/5                    [11]

最后，第四匹配层的所需阻抗Z₄决定于声源阻抗Z₀的1/5次幂与目标媒体阻抗Z₅的4/5次幂两者之积，即

Z₄＝Z₀ ^1/5Z₅ ^4/5                    [12]

一般地，对于N个匹配层(N为一个正整数)的换能器，在对具有阻抗Z₀的声源层与具有阻抗Z_(n+1)的目标媒体之间各内插层计算阻抗值的方法中，每一个相继的内插层J(J为自1到N范围内的一个整数)的所需阻抗Z_J如下地计算：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)      [13]

类似于对单个匹配层计算阻抗的另一套计算程序中，能够确定匹配层的厚度，以确保透过匹配层时有最大的声能传输。如果匹配层J的厚度为L_J，J层内的声音波长为λ_J，则

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4                  [14]

式中，n_J是一个正整数，在材料的结构要求与寄生效应之间取平衡中，n_J可取地选为1、2或3。单匹配层的厚度计算完全符合式(2)中示明的单匹配层公式。图1上示明制造电-声换能器或声谐振源的示例方法100，它组合应用上面的计算程序，以配置最佳的阻抗匹配层。在步骤115上，作出初始的选择和确定，选择具有阻抗Z(0)和谐振频率f(0)的换能型或声谐振型声源材料，确定目标媒体连同它的阻抗Z(N+1)，确定匹配层数目N。在步骤125上，进行迭代运算，为此，在步骤120上将声源材料规定为J＝0的第0层。对于每一个匹配层J，在步骤135上按下式确定匹配层J的阻抗：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)     [15]

在下一步的步骤140上，选择具有所确定阻抗Z_J和波长λ_J的材料，这里，波长λ_J可从材料内的声速和声源工作的谐振频率f(0)中得出。在步骤145上，根据选择的材料以及已知的它的结构和质量，确定厚度整数n_J。然后，在步骤150上，确定特定的匹配层J的厚度。随着，将对于匹配层J的计算法应用于此后的层上，而压电单元作为0层。所插述的该示例方法除了可应用于超声换能器上之外，也可应用于声源上。在那些应用中，按照下面公开的步骤确定有效声源阻抗，并在步骤190上以得到的有效声源阻抗取代在步骤115上得知的换能器阻抗Z(0)。

下面的例子中，以制造超声换能器的若干实施例示明上面所公开的方法的应用，图2上通过实例示明制成的换能器，它具有最佳匹配的声阻抗。换能器200中包含由优选实施例210构成的PZT声源层，在其上面有第一匹配层215和第二匹配层220，如果需要，可按照本发明的阐述在它们上面再施加上相继的各匹配层，直至第N层。由于各内插匹配层具有最佳的匹配阻抗，因而在声源210上产生的声能将高效地传输到目标媒体230上。

首先，在一般场合下的应用中，使典型的压电单元诸如PZT与空气匹配，压电单元具有的实例阻抗为34×10⁶kg/m²·s，在本实例中目标媒体为空气的阻抗是415kg/m²·s。应用式(1)制作单匹配层的换能器时，要求匹配层具有不现实的阻抗0.12×10⁶kg/m²·s。于是，应用所公开的优选方法的阐述制造带有两个匹配层的换能器时，可以计算出，第一匹配层的阻抗应为0.78×10⁶kg/m²·s，第二匹配层的阻抗应为0.018×10⁶kg/m²·s。选定满足这些规范的匹配层材料可保证有最佳的配置，能将最大量的声能传输入目标媒体中。

本领域内的专业人员从上面的例子中清楚知道，增加匹配层数目可增大材料的选择范围，借此能够制造最佳的换能器。例如，应用单个匹配层使PZT与空气匹配时，要求匹配层的阻抗为0.12×10⁶kg/m²·s。可是，看来具有该合适声阻抗的材料为软木，而它的吸收率很大，因此，对于大多数实际应用来说是不合适的。然而，制造带有两个匹配层的换能器时，人们可选择阻抗为0.78×10⁶kg/m²·s和0.018×10⁶kg/m²·s的材料，诸如可从各种类型的橡胶材料中选择，另外，它们的衰减系数小。因此，此类材料可提供使PZT与空气匹配的实际方法。

另一个例子中，按照本发明应用三个匹配使PZT与空气匹配。下面的表3简要列出该示例方法的结果，这里，声能传输效率近乎100％。

表3

 

	声阻抗(kg/m<sup>2</sup>·s)
		声源：Z<sub>0</sub>(PZT)	34×10<sup>6</sup>
第一层：Z<sub>1</sub>	2×10<sup>6</sup>
		第二层：Z<sub>2</sub>	0.12×10<sup>6</sup>
第三层：Z<sub>3</sub>	0.007×10<sup>6</sup>
		目标介质：Z<sub>5</sub>(空气)	415

接着的例子中，应用四个匹配层使PZT与空气匹配。下面的表4简要列出本发明的优选方法的结果，这里，能有近乎100％的声能向外传输。

表4

 

	声阻抗(kg/m<sup>2</sup>·s)
		声源：Z<sub>0</sub>(PZT)	34×10<sup>6</sup>
第一层：Z<sub>1</sub>	3.5×10<sup>6</sup>
		第二层：Z<sub>2</sub>	0.37×10<sup>6</sup>
第三层：Z<sub>3</sub>	0.038×10<sup>6</sup>
		第四层：Z<sub>4</sub>	0.004×10<sup>6</sup>
目标介质：Z<sub>5</sub>(空气)	415

上面说明的方法给出可行和有效的措施使两种材料之间达到声阻抗匹配，借此，能制造具有最佳声阻抗匹配的超声换能器。按照本说明中的阐述制造的超声换能器，从换能声源到目标媒体能给出最大的声能传输。虽然，这里以其若干实施例说明的方法可在任何两种材料之间由规定数目的匹配层提供最佳声阻抗匹配，但是，象上面给出的示例中所述那样，它将引导人们考虑典型的压电单元诸如PZT之类与空气间的匹配。这里，已公开了若干具体实施情况的一般方法。如上面所述，PZT的声阻抗为34×10⁶kg/m²·s，空气的声阻抗为415kg/m²·s。若应用单匹配层，则本方法简化成式(1)和式(2)中示明的周知的典型结果。此种场合下如上面所示，匹配层的阻抗将为0.12×10⁶kg/m²·s。如上面所指明，软木材料是具有此种阻抗的极少数材料之一。然而，由于该材料的吸收率高，也即将损失大量声能，所以，这是一种低劣的匹配层备选材料。

转看上面示明的两个匹配层，得到的阻抗为0.78×10⁶kg/m²·s和0.018×10⁶kg/m²·s。已经知道，有各种类型的橡胶可制造成具有此类阻抗值。例如，可以使硬橡胶构造成阻抗大约为0.78×10⁶kg/m²·s，声速大约2400m/s，1MHz频率的超声波长为2.4mm。以这种材料制造的匹配层可以薄到四分之一波长，也即n_J＝1时厚度0.6mm。另外，可以使软橡胶构造成阻抗大约0.018×10⁶kg/m²·s，声速大约1050m/s，1MHz频率的超声波长大约1mm。以这种材料制造的匹配层其厚度可以薄到四分之一波长或0.25mm。

转看上面表4中示明的四个匹配层，可以应用下面的材料：对于第一层，各种类型的胶质玻璃和

可供应用，例如可得到3.5×10⁶kg/m²·s的阻抗；对于第二层，软橡胶可给出0.37×10⁶kg/m²·s的阻抗；对于第三层，一些类型的软橡胶有0.038×10⁶kg/m²·s的阻抗；而对于第四层，纸和一些类型的软橡胶有0.004×10⁶kg/m²·s的阻抗。

每一匹配层的厚度决定于式(14)，其中，可对每一匹配层J选择匹配层厚度整数n_J，所得到的益处包括声能传输效率高和制造工艺可改进。

本发明的换能器例子中，PZT装置可取地具有一个峰值频率或谐振频率，在优选实施例中带有一个或多个软橡胶层和/或一个或多个硬橡胶层，它们或是涂覆于换能器表面，或是涂覆于相继的匹配层上。橡胶的涂覆继续到直至满足所需的四分之一波长厚度。这里，波长定义为橡胶内的声速除以压电单元的谐振频率。厚度计算参见式(14)。除了涂覆硬橡胶之外，另外的实施例中，多匹配层的相互接合依靠通常的环氧树脂、胶泥和自粘带，或是其他高粘度环氧树脂、粘结剂或胶泥。

由于结构要求，当将匹配层材料制造成四分之一波长不现实时，或是不希望将材料制造成四分之一波长那样薄时，必须取匹配层厚度整数n_J值大于1。例如，n_J取2时，匹配层厚度将为四分之三波长。通过本公开文件，本技术领域内的熟练人员知道，人们可以做到最后制成的各匹配层的目标总厚度能以大致类同的波长单位表示，但各匹配层不必需为相同的材料。也就是，当λ₁大致等于λ₂时，两个四分之一波长的匹配层可组合起来达到二分之一波长的目标厚度。这样做时，人们可以大致得到组合厚度为二分之一波长λ₁/2。这种达到目标厚度的方法又可以扩展到更大的目标厚度。例如，可以希望目标厚度为3λ₂/2，其中，第一厚度为5λ₁/4，第二厚度为λ₂/4，借此，当λ₁大致等于λ₂时，得到组合厚度3λ₁/2。

虽然，将PZT也即锆酸铅-钛酸铅作为优选材料用于超声换能器或声源，不过，本方法的若干实施例也可应用于作为声源材料的任何压电材料上。另外的材料包括石英晶体、钛酸钡、硫酸锂、铌酸锂、偏铌酸铅以及其他合适的机-电耦联剂。至于目标媒体，最普通的目标媒体预期是空气和其他气体媒体；不过，目标媒体也可以是包括水和似水物体在内的液体以及包括生物组织和类生物组织物质在内的固体。

虽然，上面给出的例子表示的是工作于兆赫(MHz)频率范围内的压电装置，但本技术领域内的熟练人员知道，该方法可应用于工作在任何频率范围内的任意压电换能器上。这方面，可以包括工作于千赫(kHz)频率范围甚至更低频率上的压电换能器，以及应用半导体技术、淀积方法和/或纳米技术方法等制造的、工作于兆赫(MHz)、吉赫(GHz)和太赫(THz)频率范围上的压电换能器。

尽管通过示例说明的方法针对压电装置，但本技术领域内的熟练人员知道，本方法的若干实施例可应用于任何声源或超声换能器，而无论其采用什么技术来产生声波，只需做到，如下面所规定，对于所考虑的声源测量其有效声阻抗Z_EFF，并且以Z_EFF取代上面解析中的声源声阻抗Z₀。关于对声源确定其有效声阻抗Z_EFF所实施的测量方法，已通过实例在上面有详细说明。并通过实例说明，它既可应用于压电声源，也可应用于任何声源。因此，可使任何声源与任何媒体或关心的目标媒体达到最佳的阻抗匹配。特别地，该测量方法可应用于电容性装置及磁电装置。可以应用于扬声器、助听器、报警器、号笛和乐器等，也就是，可应用于产生声波的任何物体。

下面，在图3中示明一系列的实验测量，人们通过它能确定任何声源的有效声阻抗，然后，该有效声阻抗可应用于本发明的方法中。首先，在步骤310上，使有关的声源作用于第一媒体或关心的媒体上，也即目标媒体A或者与目标媒体A有类似声学特性的媒体A′上。例如，将声源作用于媒体A上，其声阻抗确定为Z_A，并假定媒体A的声阻抗Z_A可独立地测量，并且，声源尚未与该目标媒体最佳地匹配。在步骤315上，应用一个单独的接收换能器在具有阻抗Z_A的媒体A内的任意位置上，测量由有关声源产生的声压P_RA。接收换能器不必需与声源相同，甚至不必需类似，它可以是良好地工作于很不相同的声音产生原理上的。当然，它应能适应于工作在声源的频率和声强范围内。由于测量声压的相对大小已足够，所以，不需将接收换能器校准到能测量绝对声压。虽然，接收换能器相对于声源的位置不需要精确决定，但此类测量应遵循令人满意的声学测量实践，应在足够大的间隔距离上进行测量，以使得本领域内专业人员周知的近场伪象效应不形成对测量的干扰问题。

由接收换能器在媒体A内测得的声压P_RA如下式所示：

P_RA＝p₀τ_0A＝p₀[2Z_A/(Z_EFF+Z_A)]   [16]

式中，p₀是声源处的声压，τ_0A是声源与媒体A之间的透射系数，Z_EFF是声源的有效声阻抗。

下一步，在步骤320上，用声学特性不同于A或A′的第二媒体B取代媒体A或A′，而媒体B的声学特性仍然适应于声源和接收换能器两者的运行。所有其他变量均可取地保持不变，例如，声源换能器与接收换能器之间的距离保持相同，然后，在步骤325上，由接收换能器测量声压P_RB。接收换能器在媒体B内测得的声压P_RB如下式所示：

P_RB＝P₀τ_0B＝p₀[2Z_B/(Z_EFF+Z_B)]             [17]

式中，τ_0B是声源与媒体B之间的透射系数。这里，无论对于媒体A或B，测量时已确保声源工作于同样的功率电平上，于是，可以求取上面两式的比值，得到

P_RA/P_RB＝[2Z_A/(Z_EFF+Z_A)]/[2Z_B/(Z_EFF+Z_B)]   [18]

应用下面的式子定义变量Ω：

Ω＝[P_RA/P_RB]/[Z_B/Z_A]                     [19]

于是，在步骤330上，根据导出的关系式得出Z_EFF的值：

Z_EFF＝[Z_B-ΩZ_A]/[Ω-1]                    [20]

上面的例子中，媒体材料A和B的阻抗是已知的，而通过上面说明的处理，变量Ω由实验得到。最后，可以确认，有效声阻抗Z_EFF是这样的声源声阻抗，在步骤335上，利用上面说明的方法可用它Z_EFF取代Z₀，即

Z_EFF＝Z₀                                 [21]

应用上面说明的和图1中示明的方法，可使任何声源与工作对象或即目标媒体达到阻抗匹配。

下面，用两个例子示明如何应用该实验方法确定一个给定声源的有效声阻抗，以及如何应用本发明的若干实施例使声源与其目标材料达到最佳匹配。

第一个例子中，对电容性换能器作出设计，使之工作于大洋特别是海水中。这里，采用相同的换能器作为工作于类同频率范围内的接收换能器和压电换能器，测量海水环境里由声源产生的声压。然后，比方说以蒸馏水取代海水重复进行测量。这两种测量结合以已知的海水和蒸馏水的声学特性，可以确定电容性换能器的有效声阻抗。最后，应用示例方法或是计算出制造最佳匹配换能器时合适的匹配层，再按照得到的阻抗和厚度选定一系列涂覆处理，将它应用到声源上时便可在换能器与大洋之间提供最佳的声匹配。如前面所述，由此，该最佳匹配能使电容性换能器工作于它的最高效率上。

第二个例子中，在5-10kHz频率范围内将扬声器设计成工作于空气里。使用一个合适的话筒来测量由工作于空气里的扬声器产生的声压。另外，再在充满例如是氮气的一个实验容器内测量扬声器工作产生的声压。将这些实验测量值与上面确定有效声源阻抗的计算相结合，按照得到的阻抗和厚度借以选择合适的涂覆处理，实现最佳的声匹配。因此，有最佳和高效的扬声器性能。

Claims (6)

1.一种制造带有三个或更多阻抗匹配层的换能器的方法，包括步骤：

提供具有声源阻抗Z₀的压电元件；

选择目标媒体，它具有目标阻抗Z_(N+1)；

确定匹配层数目N，N为大于2的一个整数；以及

对于增量为1、从3直到规定的匹配层数目N的每一个匹配层J，

按照下式确定所需的阻抗Z_J：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

选择实质上具有所确定的所需阻抗Z_J之匹配层J的材料，其中，对匹配层J选定的材料内具有声速以及与该匹配层J内声速关联的波长λ_J；

确定一个正整数值n_J，并按照下式对匹配层J的选定材料确定厚度L_J：

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4

以及，

将厚度L_J的匹配层J施加到多个匹配层上，该多个匹配层是先前施加到换能器的压电元件上的。

2.一种制造带有多个阻抗匹配层的换能器的方法，包括步骤：

由一个声源在具有一个声阻抗的第一媒体内产生声压；

用一个接收换能器测量由该声源在第一媒体内产生的声压；

由该声源在具有一个声阻抗的第二媒体内产生声压；

用该接收换能器测量由该声源在第二媒体内产生的声压；以及

根据第一媒体的声阻抗Z_A、第二媒体的声阻抗Z_B、接收换能器测得的第一媒体内的声压P_RA以及接收换能器测得的第二媒体内的声压P_RB，按下面的关系式确定导出的有效声源阻抗Z_EFF：

Z_EFF＝[Z_B-{[P_RA/P_RB]/[Z_B/Z_A]}Z_A]/[{[P_RA/P_RB]/[Z_B/Z_A]}-1]

选择目标媒体，它具有目标阻抗Z_(N+1)；

确定匹配层数目N，N为大于1的一个整数；以及

对于增量为1、从1直到规定的匹配层数目N的每一个匹配层J，

按照下式确定所需的阻抗Z_J：

Z_J＝Z_EFF ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

选择实质上具有所确定的所需阻抗Z_J之匹配层J的材料，其中，对匹配层J选定的材料内具有声速以及与该匹配层J内声速关联的波长λ_J；

确定一个正整数值n_J，并按照下式对匹配层J的选定材料确定厚度L_J：

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4

以及，

将厚度L_J的匹配层J施加到换能器的压电元件上或先前施加到压电元件上的匹配层上。

3.一种将声能传输至具有一个目标阻抗Z_(N+1)的目标媒体内的装置，该装置包括：

一个具有声源阻抗Z₀的压电元件，以及三个或更多个匹配层N；

其中，三个或更多个匹配层之每一层具有按照下式给出的所需阻抗：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

并具有波长λ_J；且

其中，三个或更多个匹配层之每一层具有按照下式给出的厚度：

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4

其中，n_J是一个正整数；以及，

其中，该三个或更多个匹配层粘合到压电元件上。

4.一种用于使声能从具有阻抗Z₀的声源到具有目标阻抗Z_(N+1)的目标媒体之间实现匹配的制品，该制品包括：

三个或多个匹配层N，其中，该三个或更多个匹配层之每一层J具有按照下式的所需阻抗Z_J：

Z_J＝Z₀ ^{[(N+1-J)/(N+1)]}Z_(N+1) ^(J/N+1)

并具有波长λ_J。

5.根据权利要求4的制品，其中，三个或更多个匹配层的每一层J具有按照下式的厚度：

L_J＝(2n_J-1)λ_J/4

其中，n_J是一个正整数。

6.根据权利要求4的制品，其中，目标媒体为空气。

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