CN114284425A - 一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，属于声子晶体领域。一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，包括1‑3型压电复合材料层、声阻抗梯度匹配层、设置于1‑3型压电复合材料层、声阻抗梯度匹配层之间的上电极、以及设置于1‑3型压电复合材料层底部的下电极；1‑3型压电复合材料层包括多个压电材料柱、聚合物相1；声阻抗梯度匹配层包括多个填充圆锥、聚合物相2。本发明的大尺寸空气耦合换能器，通过将声子晶体结构与换能器中的1‑3型压电复合材料和梯度匹配层相结合，使得换能器工作时的横向振动得到更好的抑制，厚度方向的振动更加纯粹，且与空气介质有更好的声阻抗匹配性能。
Description
技术领域
本发明属于声子晶体领域，具体涉及一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器。
背景技术
实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置称为换能器，也称有源传感器。换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。换能器主要有磁致伸缩和压电晶体两大类。
已公开的申请号为CN202010696284.8 的中国专利中公开了一种深水用低频开缝液壁耦合换能器，该类换能器属于磁致伸缩类型的换能器。该发明公开了一种深水用低频开缝液壁耦合换能器，主要包括辐射盖板，辐射盖板位于换能器的上下两端，辐射盖板通过端盖A、压电陶瓷振子、端盖B与中间质量块依次粘接，并且中间穿有预应力螺杆进行固定，薄壁圆柱套筒为换能器外壳，薄壁圆柱套筒通过连接杆及去耦材料与中间质量块去耦连接，且在薄壁圆柱套筒的外壁去耦连接四根吊装杆，薄壁圆柱套筒的中心一圈进行开缝。
压电效应换能器是将电信号转换为机械振动，实现换能。
空气耦合换能器主要用于以空气为耦合介质的无损检测。其优势主要有以下两方面：1）非接触式检测，适用于一些不能使用液态耦合剂材料的检测，比如药品、纸制品、多孔材料或性能易受到损害的材料；2）由于空气中声速较低，相同频率的超声波在空气中的波长较短，因此，理论上空气耦合换能器在距离测量、缺陷检测等应用中具有更高的分辨率和精度。但是由于传统压电材料的声阻抗约是空气的70,000倍，这使得换能器发出的超声波大部分在空气界面上被反射，透射率极低。此外，横向尺寸大于纵波波长1/4的空气耦合换能器的振动模式会表现为横向振动与纵向振动的耦合,不仅使得换能器的纵向辐射声功率大幅降低, 还会因振动能量传递不均而导致辐射表面的纵向位移分布不均。
声子晶体是一种新型的人工周期性结构，其最基本特征为存在弹性波带隙，在带隙频率范围内的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制，而位于其他频率范围内的弹性波将几乎无损耗地传播，这种带隙特征可以用于控制声波以及弹性波的传播。从结构来看，我们可以将声子晶体理论与空气耦合换能器各组成部件进行结合，对其振动特性进行改善，将会极大地促进其性能提高以及应用拓展。
现有技术中的空气耦合换能器工作时的横向振动无法抑制，会降低纵向辐射声功率，因振动能量传递不均会导致辐射表面的纵向位移分布不均，且与空气介质声阻抗匹配性能差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，相较于传统空气耦合换能器，通过将声子晶体结构与换能器中的1-3型压电复合材料和梯度匹配层相结合，使得换能器工作时的横向振动得到更好的抑制，厚度方向的振动更加纯粹，且与空气介质有更好的声阻抗匹配性能。
本发明为一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，包括基于声子晶体结构的1-3型压电复合材料层、设置于所述1-3型压电复合材料层之上的基于声子晶体结构的声阻抗梯度匹配层、设置于所述1-3型压电复合材料层、声阻抗梯度匹配层之间的上电极、以及设置于所述1-3型压电复合材料层底部的下电极；所述1-3型压电复合材料层包括多个不相邻排列的压电材料柱、填充所述压电材料柱之间间隙的聚合物相1，所述压电材料柱为周期性排列；所述声阻抗梯度匹配层包括多个与所述上电极固接且底部与所述压电材料柱同心的填充圆锥、相邻所述填充圆锥之间填充聚合物相2。
作为优选的，所述压电相材料柱的材质为PZT-5H，沿厚度方向极化。
作为优选的，所述压电材料柱的排列方式为六角晶格型。
作为优选的，所述聚合物相1、聚合物相2的材质均为为环氧树脂。
作为优选的，所述聚合物相1在三维方向上联通。
作为优选的，所述压电材料柱、填充圆锥的个数和排列方式均相同。
作为优选的，部分所述填充圆锥的底面直径等于所述压电材料柱的直径。
作为优选的，位于所述声阻抗梯度匹配层中心的7个填充圆锥的底面直径和高度是其余填充圆锥的1/2，其余填充圆锥的底面直径等于所述压电材料柱的直径，以构成声子晶体缺陷态。
作为优选的，所述1-3型压电复合材料层为3mm，所述压电材料柱的为直径40mm，所述声阻抗梯度匹配层厚度1.5mm。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明将声子晶体结构与大尺寸空气耦合换能器各组成部件相结合，将1-3型压电复合材料层以及声阻抗梯度匹配层的工作频率设置在声子晶体的带隙内，使横向振动得到了更好的抑制，降低了横向耦合振动所产生的能量损耗，使厚度工作模式更加纯粹，振动效率更高，具有更大的机电耦合系数；
2、本发明结合声子晶体晶格理论，设计的压电材料柱、声阻抗梯度匹配层的填充圆锥的排列方式为六角晶格，不但拓宽了声子晶体的带隙，还有效提升了大尺寸空气耦合换能器的工作带宽；
3、本发明将柔性聚合物环氧树脂与压电材料、匹配层相结合，可以有效的降低了大尺寸空气耦合换能器的声阻抗，与空气介质可以更好的实现阻抗匹配。
4、本发明将声子晶体缺陷态与声阻抗梯度匹配层相结合，通过在完美周期声子晶体结构中构建缺陷，使位于工作频率的梯度匹配层在缺陷位置产生Anderson局域化，在进一步提升大尺寸换能器振动发射效率的同时，还可以使辐射面位移更加均匀。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中提供的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的立体结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中提供的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的主视图以及六角晶格单胞图；
图3为本发明具体实施方式中提供的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器剖面图；
图4为本发明具体实施方式中提供的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的1-3型压电复合材料层的单胞能带图；
图5为本发明具体实施方式中提供的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的声阻抗梯度匹配层的单胞能带图；
图6为本发明具体实施方式中提供的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的电导曲线图；
图7为本发明具体实施方式中提供的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的发射电压响应级曲线图；
图8为传统大尺寸空气耦合换能器的发射电压响应级曲线。
其中；1-3型压电复合材料层1、压电材料柱11、聚合物相1a、声阻抗梯度匹配层2、填充圆锥21、聚合物相2b、上电极3、下电极4。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。
请参阅图1，一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，包括基于声子晶体结构的1-3型压电复合材料层1、设置于所述1-3型压电复合材料层1之上的基于声子晶体结构的声阻抗梯度匹配层2、设置于所述1-3型压电复合材料层1、声阻抗梯度匹配层2之间的上电极3、以及设置于所述1-3型压电复合材料层1底部的下电极4；所述1-3型压电复合材料层1包括多个不相邻排列的压电材料柱11、填充所述压电材料柱11之间间隙的聚合物相1a，所述压电材料柱11为周期性排列；所述声阻抗梯度匹配层2包括多个与所述上电极3固接且底部与所述压电材料柱11同心的填充圆锥21、相邻所述填充圆锥21之间填充聚合物相2b。
所述压电相材料柱的材质为PZT-5H，沿厚度方向极化。所述填充圆锥21的材质为密度大于环氧树脂的两倍，杨氏模量大于环氧树脂的50倍的无机非金属材料。
所述压电材料柱11的排列方式为六角晶格型，可以理解为，6个在正六边形角上的压电材料柱11以及正六边形中心的压电材料柱11构成了六角晶格单胞，将每个六角晶格单胞排列成具有周期性的排列。
所述聚合物相1a、聚合物相2b的材质均为为环氧树脂。
压电相在一维方向上联通，所述聚合物相1a在三维方向上联通。
所述压电材料柱11、填充圆锥21的个数和排列方式均相同。部分所述填充圆锥21的底面直径等于所述压电材料柱11的直径，如位于所述声阻抗梯度匹配层2中心的7个填充圆锥21（可以理解为最中心位置排列成六角晶型的，加上中心位置的，一共7个填充圆锥21）的底面直径和高度是其余填充圆锥21的1/2，其余填充圆锥21的底面直径等于所述压电材料柱11的直径，以构成声子晶体缺陷态。
图2所示，本实施例中各结构尺寸分别为：晶格常数a2=2mm，r2=0.8mm，1-3型压电复合材料层1为3mm，压电材料柱11的为直径40mm，声阻抗梯度匹配层2厚度1.5mm，压电材料柱11与填充圆锥21均以六角晶格形式排列。
图3所示，位于梯度匹配层中心的7个填充圆锥21的直径和高度为其余填充圆锥21的1/2，以构成声子晶体缺陷态，在换能器处于工作频率时会在缺陷处产生Anderson局域化，使横向振动的能量局域在缺陷处，进一步提升换能器的纵向发射功率，并改善辐射面的位移分布，使之更加均匀；
图4为一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的1-3型压电复合材料层1的单胞能带图，可以得出在280kHz至520kHz之间存在带隙，带隙宽度为240kHz；
图5为一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的声阻抗梯度匹配层2的单胞能带图，图中可以得出在430kHz至600kHz之间存在带隙，带隙宽度为170kHz；
如图6所示，空气耦合换能器的电导图中最大值所对应频率为换能器的厚度谐振频率，约为490kHz，可以发现本实施例的谐振频率位于声子晶体带隙中，这意味着此空气耦合换能器在厚度模式下工作时产生的横向耦合振动会由于声子晶体的带隙特性得到很好的抑制，不会与厚度模式发生耦合振动而导致振动效率的下降。
如图7所示，从一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器的发射电压响应级曲线图（TVR）中可以得出其-3dB带宽约为65kHz；
如图8所示，从传统大尺寸空气耦合换能器的发射电压响应级曲线（TVR）中可以得出其-3dB带宽约为32kHz，对比图7和图8可以发现采用声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器相较于传统结构的空气耦合换能器的-3dB带宽提升了33kHz。
本发明将1-3型压电复合材料层1以及声阻抗梯度匹配层2的工作频率设置在声子晶体的带隙内，使横向振动得到了更好的抑制，降低了横向耦合振动所产生的能量损耗，使厚度工作模式更加纯粹，振动效率更高，具有更大的机电耦合系数；压电材料柱11、填充圆锥21的排列方式为六角晶格，不但拓宽了声子晶体的带隙，还有效提升了大尺寸空气耦合换能器的工作带宽；环氧树脂与压电材料、匹配层相结合，与空气介质可以更好的实现阻抗匹配；通过在完美周期声子晶体结构中构建缺陷，使辐射面位移更加均匀。
本发明使大尺寸空气耦合换能器在厚度模式下的工作效率更高，同时拓宽了带宽，且提升了换能器与空气介质的声阻抗匹配性能，有望广泛应用于无损检测，医学成像等领域。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，包括基于声子晶体结构的1-3型压电复合材料层、设置于所述1-3型压电复合材料层之上的基于声子晶体结构的声阻抗梯度匹配层、设置于所述1-3型压电复合材料层、声阻抗梯度匹配层之间的上电极、以及设置于所述1-3型压电复合材料层底部的下电极；所述1-3型压电复合材料层包括多个不相邻排列的压电材料柱、填充相邻所述压电材料柱间隙的聚合物相1，所述压电材料柱为周期性排列；所述声阻抗梯度匹配层包括多个与所述上电极固接且底部与所述压电材料柱同心的填充圆锥、相邻所述填充圆锥之间填充聚合物相2。
2.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，所述压电相材料柱的材质为PZT-5H，沿厚度方向极化。
3.根据权利要求2所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，所述压电材料柱的排列方式为六角晶格型。
4.根据权利要求2所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，所述聚合物相1、聚合物相2的材质均为为环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，所述聚合物相1在三维方向上联通。
6.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，所述压电材料柱、填充圆锥的个数和排列方式均相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，部分所述填充圆锥的底面直径等于所述压电材料柱的直径。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，位于所述声阻抗梯度匹配层中心的7个填充圆锥的底面直径和高度是其余填充圆锥的1/2，其余填充圆锥的底面直径等于所述压电材料柱的直径，以构成声子晶体缺陷态。
9.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体结构的大尺寸空气耦合换能器，其特征在于，所述1-3型压电复合材料层为3mm，所述压电材料柱的为直径40mm，所述声阻抗梯度匹配层厚度1.5mm。
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