CN108372095B - 一种超声换能器的匹配层及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声换能器的匹配层，包括依次布置的低密度声速层和高密度声速层，低密度声速层由材料A构成，高密度声速层由材料B构成，低密度声速层与压电材料表面电极相连接，高密度声速层用于裸露于空气中或连接其他器件。上述技术方案中，采用的材料为自然界可直接或间接获取的物质，通过物理淀积的方法可以精确控制厚度，克服了传统工艺在厚度研磨上的瓶颈；本发明通过厚度的精确控制，可以获得精确声阻抗值的匹配系统。此外，本发明还可以应用于各种特殊形状的换能器上，突破传统的设计局限性。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器领域，具体涉及一种超声换能器的匹配层及其制造方法。
背景技术
超声换能器作为声电转换的功能性器件，应用领域广泛。由于外部媒介与换能器压电阵元之间存在大的声阻抗差异，导致声能在换能器内部来回反射，无法有效向外传输。传统工艺制造过程中常利用λ/4匹配层设计原理来设计制备声阻抗匹配层，缓解声阻抗下降梯度，从而提高声传输效率。传统工艺将声阻抗较高的金属或氧化物颗粒与声阻抗较低的环氧树脂混合来制备匹配层，随着换能器中心频率的上升，波长减小，匹配层厚度也随之减小。当厚度接近微粒直径，表面粗糙程度大大增加，加之混合制备过程无法保证材料的均一性，匹配效应大大降低。
发明内容
本发明的目的是：提供一种超声换能器的匹配层，能有效地提高声传输效率，尤其在高频超声换能器领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超声换能器的匹配层，其特征在于：包括依次布置的低密度声速层和高密度声速层，低密度声速层由材料A构成，高密度声速层由材料B构成，低密度声速层与压电材料表面电极相连接，高密度声速层用于连接传输媒介水、空气或者与其他结构相连接；这与传统的由高至低的梯度下降的匹配层构造方式有所不同。进一步的方案为：
材料A为高分子树脂材料parylene。
材料B为金属材料金。
另外，本发明还提供了一种超声换能器匹配层的制造方法，包括如下操作：
S1：测定超声换能器的相关参数，确定超声换能器的传统匹配层的特征阻抗ZM，计算输入阻抗Zin；
S2：选择材料A、材料B，测量材料A和材料B的性能参数，计算材料A和材料B的特征阻抗，采用MATLAB软件，求得数值解，确定高密度声速层和低密度声速层的厚度；
S3：在压电材料表面电极上采用材料A镀设低密度声速层，然后再在低密度声速层表面镀设一层高密度声速层。
具体的：
超声换能器的相关设计指标参数包括中心频率f0、阵元厚度tp、压电阵元的特征阻抗Zp、外部媒介特征阻抗Zl。
材料A和材料B的性能参数包括密度ρ、波速θ。
高密度声速层利用物理淀积的方法镀设。
低密度声速层利用蒸发涂覆的方法镀设。
上述技术方案中，采用的材料为自然界可直接或间接获取的物质，通过物理淀积的方法可以精确控制厚度，克服了传统工艺在厚度研磨上的瓶颈；本发明通过厚度的精确控制，可以获得精确声阻抗值的匹配系统。此外，本发明还可以应用于各种特殊形状的换能器上，突破传统的设计局限性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为传统匹配层的结构示意图；
图3为本发明提供的匹配层的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种超声换能器的匹配层，其特征在于：包括依次布置的低密度声速层和高密度声速层，低密度声速层由材料A构成，高密度声速层由材料B构成，低密度声速层与压电材料表面电极相连接，高密度声速层用于裸露于空气中或连接其他器件。
材料A为高分子树脂材料，高分子树脂材料为环氧、parylene中的任意一者构成；材料B为金属材料，金属材料为金、银、铜中的任意一者构成。
传统匹配层设计过程中，匹配层厚度一般设定在经验值λ/4附近。随着工作频率的提高，波长逐渐减小，并且与匹配层元件相接近的时候，可以采用传输线理论对于匹配层的传输效应进行分析。
反射系数/传输系数(垂直入射)的定义如下：
T2＝1-R2
添加匹配层可以有效的提高声学端口的等效输入阻抗，放缓声在传输路线中的声阻抗梯度，从而减小能量的反射。以此作为出发点，结合传输线理论，本发明采用新的匹配层对传统的匹配层进行代替：
传输矩阵如下：
等效输入阻抗：
传输系数：γm＝α+jβ
Zl：外部媒介声阻抗
ZM：匹配层声阻抗
lm：匹配层厚度
α：衰减系数
β：相位常数
在已知聚合物和金属确定的声阻抗值的情况下，将每一层的厚度作为变量，确定超声换能器中心频率，借助MATLAB软件数值求解，得到所需求的特定声阻抗值的匹配系统。
本发明还提供了一种超声换能器匹配层的制造方法，包括如下操作：
S1：测定超声换能器的相关参数，确定超声换能器的传统匹配层的特征阻抗ZM，计算输入阻抗Zin；超声换能器的相关参数包括中心频率、阵元厚度、压电阵元的特征阻抗、外部媒介特征阻抗。
S2：选择材料A、材料B，测量材料A和材料B的性能参数，计算材料A和材料B的特征阻抗，采用MATLAB软件，求得数值解，确定高密度声速层和低密度声速层的厚度；材料A和材料B的性能参数包括密度ρ、波速θ。
S3：在压电材料表面电极上采用材料A镀设低密度声速层，然后再在低密度声速层表面镀设一层高密度声速层。高密度声速层利用物理淀积的方法镀设；低密度声速层利用蒸发涂覆的方法镀设。
完成上述工作之后，可以直接应用于超声勘测，或者视情况所需，进一步连接相关匹配结构等。
上述技术方案中，采用的材料为自然界可直接或间接获取的物质，通过物理淀积的方法可以精确控制厚度，克服了传统工艺在厚度研磨上的瓶颈；本发明通过厚度的精确控制，可以获得精确声阻抗值的匹配系统。此外，本发明还可以应用于各种特殊形状的换能器上，突破传统的设计局限性。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种超声换能器匹配层的制造方法，包括如下操作：
S1：测定超声换能器的相关参数，确定超声换能器的传统匹配层的特征阻抗ZM，ZM＝ρ×υ，其中ρ为材料对应的密度，υ为材料对应的声速计算输入阻抗Zin；
S2：选择材料A、材料B，测量材料A和材料B的性能参数，计算材料A和材料B的特征阻抗，采用MATLAB软件，结合结果图，选择适应的数值解，确定高密度声速层和低密度声速层的厚度；
传输系数：γm＝α+jβ
Zl是外部媒介声阻抗，ZM是匹配层声阻抗，lm是匹配层厚度，α是衰减系数，β是相位常数，Zin根据实际应用中需要匹配的源材料的声阻抗值确定，lm在Zin已知的情况下，通过MATLAB软件求解可得；
S3：在压电材料表面电极上采用材料A镀设低密度声速层，然后再在低密度声速层表面镀设一层高密度声速层；
超声换能器的相关设计指标参数包括中心频率f0、阵元厚度tp、压电阵元的声阻抗Zp、外部媒介声阻抗Zl；
材料A和材料B的性能参数包括密度ρ、波速θ。
2.根据权利要求1所述的超声换能器匹配层的制造方法，其特征在于：高密度声速层利用物理淀积的方法镀设。
3.根据权利要求1所述的超声换能器匹配层的制造方法，其特征在于：低密度声速层利用蒸发涂覆的方法镀设。
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