本發(fā)明屬于超聲波換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配裝置及方法。

背景技術(shù)：

在有關(guān)超聲換能器的所有應(yīng)用技術(shù)中，包括理論分析及工程設(shè)計(jì)，聲阻抗匹配技術(shù)對(duì)于換能器輻射聲能的高效傳輸是極為重要的。針對(duì)各種不同的超聲波應(yīng)用技術(shù)，換能器的負(fù)載是不同的。從空氣負(fù)載到固體負(fù)載，其聲阻抗率的變化范圍是巨大的，大概為幾百瑞利到幾十兆瑞利。因此，為了保證換能器在不同負(fù)載環(huán)境下的正常工作，必須進(jìn)行換能器的聲阻抗匹配。

目前，換能器聲阻抗匹配主要采用聲阻抗匹配層技術(shù)，即在換能器和負(fù)載之間插入一層或多層匹配材料，如圖1所示。通過(guò)選擇匹配層的材料和幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的聲阻抗匹配。這種阻抗匹配方法屬于機(jī)械的方法，在具體的實(shí)際應(yīng)用中，換能器的負(fù)載各式各樣，差異很大，因此，為了實(shí)現(xiàn)換能器的理想匹配，需要對(duì)換能器的匹配材料進(jìn)行嚴(yán)格的配方制備和尺寸選擇。一般情況下，利用換能器的匹配層技術(shù)進(jìn)行負(fù)載匹配，很難滿足各種各樣換能器負(fù)載阻抗匹配的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配方法。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配裝置，包括背襯層、壓電換能器和匹配層，其中，所述匹配層采用壓電陶瓷匹配層結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，所述匹配層的兩個(gè)電極面之間連接有一個(gè)數(shù)值可改變的電阻抗。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，所述電阻抗為電阻、電感或電容。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，所述電阻抗為電阻、電感、電容任意兩者串并聯(lián)阻抗或者三者串并聯(lián)阻抗。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，所述壓電陶瓷匹配層結(jié)構(gòu)為厚度極化的壓電陶瓷圓盤(pán)，在所述壓電陶瓷圓盤(pán)的兩端面鍍有金屬銀層。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，所述壓電陶瓷匹配層結(jié)構(gòu)所使用的壓電陶瓷材料根據(jù)所述壓電換能器的負(fù)載阻抗而選用。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，所述壓電陶瓷匹配層結(jié)構(gòu)的幾何尺寸根據(jù)所述壓電換能器的負(fù)載阻抗而確定。

根據(jù)上述裝置的基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配方法，包括以下步驟：

步驟一、壓電換能器在外加電信號(hào)的作用下，借助壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，所述機(jī)械振動(dòng)分為兩部分；

步驟二、一部分機(jī)械振動(dòng)傳播進(jìn)入壓電換能器的背襯層中，被所述背襯層吸收；另一部分機(jī)械振動(dòng)傳播進(jìn)入壓電換能器的匹配層中，經(jīng)過(guò)匹配層進(jìn)入負(fù)載介質(zhì)中。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明中匹配層使用壓電陶瓷類(lèi)材料，并在匹配層兩個(gè)電極面之間連接一個(gè)數(shù)值可以改變的電阻抗，利用壓電效應(yīng)，通過(guò)改變壓電陶瓷材料、改變壓電陶瓷匹配層的幾何尺寸、改變匹配層兩個(gè)電極面之間的電阻抗以及三者結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波換能器任何負(fù)載阻抗的理想匹配，大大降低了傳統(tǒng)的聲阻抗匹配技術(shù)的成本。

附圖說(shuō)明

圖1是超聲波換能器的匹配層匹配技術(shù)原理示意圖。

圖2是本發(fā)明的基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配裝置及方法示意圖。

圖3是本發(fā)明的基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配裝置及方法中匹配層的機(jī)電等效電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1：

如圖2所示，基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配裝置，包括背襯層、壓電換能器和匹配層，其中，匹配層采用壓電陶瓷匹配層結(jié)構(gòu)，匹配層的兩個(gè)電極面之間連接有一個(gè)數(shù)值可改變的電阻抗。

上述電阻抗可以為電阻、電感、電容，也可以為電阻、電感、電容任意兩者串并聯(lián)阻抗或者三者串并聯(lián)阻抗，通過(guò)改變電阻抗實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷匹配層機(jī)械阻抗的改變，進(jìn)而達(dá)到換能器負(fù)載阻抗的理想匹配。

壓電陶瓷匹配層結(jié)構(gòu)為厚度極化的壓電陶瓷圓盤(pán)，在所述壓電陶瓷圓盤(pán)的兩端面鍍有金屬銀層，基于壓電陶瓷類(lèi)材料的壓電效應(yīng)，壓電陶瓷匹配層結(jié)構(gòu)所使用壓電陶瓷材料和幾何尺寸均根據(jù)所述壓電換能器的負(fù)載阻抗而選用和確定，尤其是匹配層的厚度，相同的換能器使用不同厚度的壓電陶瓷圓盤(pán)作為匹配層，能夠達(dá)到不同匹配效果。

實(shí)施例2：

如圖2所示，本發(fā)明的基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配方法，包括以下步驟：

步驟一、壓電換能器在外加電信號(hào)的作用下，借助壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)分為兩部分；

步驟二、一部分機(jī)械振動(dòng)傳播進(jìn)入壓電換能器的背襯層中，被所述背襯層吸收；另一部分機(jī)械振動(dòng)傳播進(jìn)入壓電換能器的匹配層中，經(jīng)過(guò)匹配層進(jìn)入負(fù)載介質(zhì)中。

基于壓電陶瓷類(lèi)材料的壓電效應(yīng)，通過(guò)上述步驟對(duì)壓電換能器進(jìn)行聲阻抗匹配，能夠使壓電換能器產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)高效的轉(zhuǎn)播到負(fù)載介質(zhì)中，同時(shí)大大降低了傳統(tǒng)聲匹配技術(shù)的成本。

實(shí)施例3：

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，如圖3所示，本發(fā)明的基于壓電效應(yīng)的聲阻抗匹配方法中匹配層的機(jī)電等效電路圖，圖中Z₁,Z₂,Z₃是壓電陶瓷匹配層的等效電路阻抗，C₀是壓電陶瓷匹配層的靜態(tài)電容，n是壓電陶瓷匹配層材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)。Ze是連接在壓電陶瓷匹配層兩端的可變電阻抗，該電阻抗可以是電阻，電感，電容或者三者之間的任意串并聯(lián)復(fù)合。Z_L是換能器輻射介質(zhì)的負(fù)載阻抗，也就是未經(jīng)匹配以前換能器的負(fù)載阻抗，Zim是經(jīng)過(guò)壓電陶瓷匹配層匹配以后壓電陶瓷匹配層的輸入機(jī)械阻抗，也就是壓電陶瓷換能器的負(fù)載阻抗。由圖3可以得出經(jīng)過(guò)壓電陶瓷匹配層匹配以后的換能器的負(fù)載阻抗為，

$Z_{im}=Z_1+\frac{(Z_2+Z_L)(Z_3+Z_m)}{Z_2+Z_3+Z_L+Z_m}---\left(2\right)$

(2)式中，

由上述二式可以看出，壓電陶瓷匹配層的匹配阻抗Z_im不但和壓電陶瓷匹配層本身的材料參數(shù)及幾何尺寸有關(guān)，而且還和連接于壓電陶瓷匹配層兩端的電阻抗Z_e有關(guān)，因此，通過(guò)合理的選擇壓電陶瓷匹配層的材料參數(shù)和幾何尺寸，同時(shí)改變外界電阻抗Z_e的性質(zhì)和數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)換能器負(fù)載匹配阻抗的連續(xù)改變，從而完成換能器在不同負(fù)載阻抗下的聲阻抗匹配。

基于上述實(shí)施例，提供以下三個(gè)具體例子，壓電陶瓷換能器為傳統(tǒng)的發(fā)射型壓電陶瓷圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，其輻射聲場(chǎng)近似為活塞輻射聲場(chǎng)，因此換能器的特性機(jī)械阻抗可用公式ρcS近似計(jì)算，其中ρ,c,S分別是壓電陶瓷換能器材料的密度、聲速以及輻射面面積。對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)射型壓電陶瓷材料，其數(shù)值大概為47100力歐姆。三個(gè)實(shí)施例子分別對(duì)應(yīng)壓電陶瓷換能器向空氣介質(zhì)、液體介質(zhì)以及固體介質(zhì)中輻射聲波：

例1：以空氣作為換能器的負(fù)載，當(dāng)換能器輻射面半徑為20mm時(shí)，其負(fù)載機(jī)械阻抗近似為1.5力歐姆。壓電陶瓷匹配層的材料為PZT-4，匹配層的半徑為20mm,厚度為2mm。表1為在不同的電阻抗下，經(jīng)壓電陶瓷匹配層匹配以后的輸入機(jī)械阻抗(即匹配以后的阻抗)與頻率的關(guān)系。

表1

例2：以水作為換能器的負(fù)載，當(dāng)換能器輻射面半徑為20mm時(shí)，其負(fù)載機(jī)械阻抗近似為1880力歐姆。壓電陶瓷匹配層的材料為PZT-4，匹配層的半徑為20mm,厚度為2mm。表2為在不同的電阻抗下，經(jīng)壓電陶瓷匹配層匹配以后的輸入機(jī)械阻抗(即匹配以后的阻抗)與頻率的關(guān)系。

表2

例3：以固體(金屬鋁材料)作為換能器的負(fù)載，當(dāng)換能器輻射面半徑為20mm時(shí)，其負(fù)載機(jī)械阻抗近似為17500力歐姆。壓電陶瓷匹配層的材料為PZT-4，匹配層的半徑為20mm,厚度為2mm。表3為在不同的電阻抗下，經(jīng)壓電陶瓷匹配層匹配以后的輸入機(jī)械阻抗(即匹配以后的阻抗)與頻率的關(guān)系。

表3

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。