壓電超聲換能器匹配層的數(shù)值分析研究

匡泓錦　郭永強(qiáng)　杜斌

【摘 要】壓電超聲換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，可將電聲信號(hào)互相轉(zhuǎn)換，匹配層作為超聲導(dǎo)波換能器的重要組成部分，能實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配或過(guò)渡，使壓電晶片與被測(cè)物體之間的聲強(qiáng)透射率大幅度提高，匹配層的聲阻抗應(yīng)該在壓電晶片與被測(cè)物體的聲阻抗之間。本文利用數(shù)值分析的方法，分析了兩種不同材料的匹配層在不同頻率下對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響，為換能器的匹配層設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】超聲導(dǎo)波；壓電晶片；換能器；匹配層

0 引言

研究表明，僅有好的發(fā)聲材料還不能保證一定能制備出高性能的超聲導(dǎo)波換能器，因?yàn)閴弘姴牧虾捅粶y(cè)物體之間的聲阻抗失配將使得聲能無(wú)法有效傳遞[1]。以水聽(tīng)器為例，當(dāng)沒(méi)有匹配層耦合時(shí)，壓電式傳感器中壓電陶瓷片的聲阻抗約為33.7×106Pa·s/m，水的聲阻抗為1.51×106Pa·s/m，其聲強(qiáng)透射率僅為0.16。通過(guò)合理的匹配層，可以使壓電晶體和被測(cè)物體之間的聲強(qiáng)透射率得到大幅度的提高，實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配或過(guò)渡，使得靈敏度提高，失真減小。一般在超聲成像，超聲檢測(cè)及超聲探傷等一些小信號(hào)場(chǎng)合應(yīng)用超聲換能器的聲學(xué)匹配，在超聲匹配過(guò)程中，起到聲阻抗匹配或過(guò)渡作用的材料主要是匹配層材料。合適的匹配層可以使超聲換能器的靈敏度和能量傳輸效率提高，選擇合適的匹配層材料對(duì)換能器而言至關(guān)重要[2]。因此，本文分析不同材料作為匹配層對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響，為壓電式換能器的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 匹配層的設(shè)計(jì)原理

1.1 匹配層設(shè)計(jì)的聲學(xué)基礎(chǔ)

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱為反射波；另一部分能量透過(guò)界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱為透射波。在界面上聲能的分配和傳播方向的變化都遵循一定的規(guī)律。

當(dāng)超聲波垂直入射到光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波，如式1所示。Z1為第一種介質(zhì)聲阻抗，Z2為第第二種介質(zhì)聲阻抗，P0為入射聲強(qiáng)，Pt為透射聲強(qiáng)，Pr為反射聲強(qiáng)。

則由第一介質(zhì)到第二介質(zhì)的聲強(qiáng)透射率公式為：

式中Z1為第一種介質(zhì)聲阻抗，Z2為第第二種介質(zhì)聲阻抗，很顯然，介質(zhì)的聲阻抗對(duì)于聲波的透射是非常重要的[5]。

對(duì)于Z1≠Z2≠Z3，即非均勻介質(zhì)中的薄層，比如壓電片—匹配層—待測(cè)件。其聲強(qiáng)透射率為：

式（2）中，Z1、Z2和Z3分別是壓電材料、匹配層和負(fù)載的聲阻抗，d2為匹配層厚度，λ2為聲波在匹配層中的波長(zhǎng)。

1.2 匹配層的設(shè)計(jì)要求

本文使用的壓電材料為PZT-5，聲阻抗為檢測(cè)件為鋼管，兩者的聲阻抗差別不大，不設(shè)計(jì)匹配層，直接接觸檢測(cè)時(shí)，由上式（1）計(jì)算得聲強(qiáng)透射率T=0.97。聲強(qiáng)透射率很大，理論上不需要進(jìn)行匹配層設(shè)計(jì)就能保證較高的聲強(qiáng)透射率，考慮到壓電晶片需要匹配層來(lái)避免外界機(jī)械損害及腐蝕。因此需要選擇合適的材料作為匹配層來(lái)對(duì)壓電晶片起到保護(hù)作用，同時(shí)不能降低壓電元件與碳鋼管道間的聲強(qiáng)透射率，匹配層的選擇要求其聲阻抗介于檢測(cè)件和壓電陶瓷片的聲阻抗之間，因此可選擇304不銹鋼和剛玉作為匹配層材料。

2 匹配層不同材料的數(shù)值分析

為了表示聲強(qiáng)透射率隨不同頻率，不同厚度匹配層變化的規(guī)律，本文式（2）改寫(xiě)為式（3）：

式中，C2表示匹配層中聲波的波速，f2表示檢測(cè)頻率。

對(duì)于超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)而言，檢測(cè)頻率通常在20kHz-200kHz之間。本文中檢測(cè)管道為碳鋼管道，傳感器中壓電晶片為PZT-5壓電陶瓷片。此情況下，如圖3為304不銹鋼作為匹配層時(shí)，不同頻率f所對(duì)應(yīng)聲強(qiáng)透射率隨匹配層厚度變化的曲線圖，如圖3為剛玉作為匹配層時(shí)，不同頻率所對(duì)應(yīng)聲強(qiáng)透射率隨匹配層厚度的變化曲線圖。

由圖1可知，當(dāng)運(yùn)用304不銹鋼作為匹配層時(shí)，頻率和匹配層厚度的變化對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響很小，聲強(qiáng)透射率一直保持在0.97以上。由圖2可知，當(dāng)運(yùn)用剛玉作為匹配層時(shí)，頻率和匹配層厚度的變化對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響比較大，其變化范圍在0-0.98之間。

運(yùn)用L（0，2）模態(tài)超聲導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要以掃頻的方式確定最佳激勵(lì)頻率，因此希望頻率的變化對(duì)匹配層的聲強(qiáng)透射率影響較小。由此可知，304不銹鋼為匹配層材料的較佳選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)本文分析了匹配層的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)數(shù)值分析的方法分析了不同的匹配層材料在不同頻率和厚度下對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響，發(fā)現(xiàn)在匹配層選用304不銹鋼片時(shí)，頻率和匹配層厚度的變化對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響較小。對(duì)超聲導(dǎo)波換能器的匹配層的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]杜功煥，朱哲民，等.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：南京大學(xué)出版社，2001：182-189.

[2]馮若，等.超聲手冊(cè)[M].南京：南京大學(xué)出版社，1999：22-23.endprint