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空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料匹配层空耦式压电换能器

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声学学报 2019年第4期44卷 735-742页

作者：吴樵陈秋颖王小民廉国选中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

研制了一种厚度模空耦式压电换能器,使用综合考虑材料衰减系数和声阻抗的空耦式压电换能器电力声等效电路理论模型以指导匹配层结构设计和材料选择,选用新型的空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料作为声匹配材料,优化设计电阻抗匹配及结构... 详细信息

研制了一种厚度模空耦式压电换能器,使用综合考虑材料衰减系数和声阻抗的空耦式压电换能器电力声等效电路理论模型以指导匹配层结构设计和材料选择,选用新型的空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料作为声匹配材料,优化设计电阻抗匹配及结构参数。该换能器中心频率为510 kHz,-6 dB频域相对带宽为25.4%,插入损耗为-27 dB。结果表明,使用新型低衰减系数的闭孔复合材料单匹配层设计的该换能器不仅保证了高灵敏度,同时简化了换能器结构,为空耦式压电换能器研制提供了新思路。

关键词：环氧树脂复合材料压电换能器聚合物微珠匹配层空心结构设计衰减系数换能器结构

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径向振动匹配层换能器的设计参数及模态优化

金刚石与磨料磨具工程 2021年第6期41卷 68-73页

作者：郭帅宏李军王欢涛南京航空航天大学机电学院南京210016

设计基于匹配层外壳的径向振动换能器,分析匹配层材料、换能器直径、压电振子厚度对换能器模态振型的影响,并结合设计频率下最佳模态振型优化换能器设计参数。结果表明:树脂基匹配层显著提高换能器在空气介质中的发射效率。随着换能器... 详细信息

设计基于匹配层外壳的径向振动换能器,分析匹配层材料、换能器直径、压电振子厚度对换能器模态振型的影响,并结合设计频率下最佳模态振型优化换能器设计参数。结果表明:树脂基匹配层显著提高换能器在空气介质中的发射效率。随着换能器直径减小、压电振子厚度增加,径向振动换能器激振效率提高。优化的换能器直径为100 mm,压电振子厚度为10 mm,在第三阶谐振频率为34 729 Hz时,可实现高效率、高质量振动辅助研磨加工。

关键词：振动辅助研磨径向振动换能器匹配层模态振型

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声子晶体结构在换能器匹配层中的应用

陕西师范大学学报（自然科学版） 2016年第2期44卷 37-42页

作者：唐一璠林书玉陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西西安710119

将声子晶体结构用于换能器匹配层中,利用声子晶体的能带特性改善换能器的匹配性能。研究了厚度振动超声换能器中声子晶体型匹配层的参数变化对换能器频带宽度、发射电压响应和辐射特性的影响,建立了声子晶体型匹配层厚度振动换能器等效... 详细信息

将声子晶体结构用于换能器匹配层中,利用声子晶体的能带特性改善换能器的匹配性能。研究了厚度振动超声换能器中声子晶体型匹配层的参数变化对换能器频带宽度、发射电压响应和辐射特性的影响,建立了声子晶体型匹配层厚度振动换能器等效电路模型,并利用传输矩阵计算了匹配层的声能量透射系数。研究结果表明:合理选择声子晶体型匹配层的材料和厚度,可以使换能器的频带宽度扩大一倍;并且将换能器的共振频率处于声子晶体结构的通带范围内,可以使声能量透射系数接近于1。

关键词：声子晶体匹配层频带宽度发射电压响应辐射特性

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匹配层宽带换能器优化设计及工程应用

匹配层宽带换能器优化设计及工程应用

作者：沈铁东哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着水声信号处理技术迅速发展，需要从湿端设备—水声换能器获取更多的信息，因而对水声换能器的发展除要求低频、大功率、小尺寸、高灵敏度和高效率外，更要求能有较宽的工作频带。在众多拓宽换能器频带的方法中，匹配层宽带换能器... 详细信息

随着水声信号处理技术迅速发展，需要从湿端设备—水声换能器获取更多的信息，因而对水声换能器的发展除要求低频、大功率、小尺寸、高灵敏度和高效率外，更要求能有较宽的工作频带。在众多拓宽换能器频带的方法中，匹配层宽带换能器技术在中高频段是一种较为行之有效的方法。论文作者在多年匹配层宽带换能器研究工作的基础上，对该换能器从机理研究到电声特性进行了仔细分析，在匹配层宽带换能器优化设计方面进行了摸索。同时在理论研究的指导下，对换能器及阵列的装配工艺进行了实验研究，并将实验结果和理论计算进行比较并进行优化设计，从而得到性能较好的工程用换能器及阵列。为进一步拓展带宽论文对在单匹配层的基础上加柔顺层材料的换能器的方法进行了初步探讨，分析了匹配层和柔顺层对换能器性能的影响并进行试验研究。论文工作紧密结合国家863课题“超宽频海底剖面仪”及“合成孔径声纳海试样机”的研究工作及“十五”课题“多模超宽带换能器研究”，应用匹配层展宽带宽技术做了多种不同用途的换能器工程样阵并通过了湖海试验。

关键词：宽带匹配层优化工程应用

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换能器双匹配层参数的计算

传感器与微系统 2008年第12期27卷 106-108页

作者：李珺贺西平张峰朱奕蔓陕西师范大学应用声学研究所陕西西安710062

研究了纵振超声换能器前端粘接胶层和匹配层参数(厚度、特性阻抗)的变化对换能器声能量辐射的影响。通过计算得到了多组最佳匹配厚度的组合,扩大了匹配层材料的可使用范围。计算结果表明:粘接胶层的厚度、匹配层的材料和厚度都对换能器... 详细信息

研究了纵振超声换能器前端粘接胶层和匹配层参数(厚度、特性阻抗)的变化对换能器声能量辐射的影响。通过计算得到了多组最佳匹配厚度的组合,扩大了匹配层材料的可使用范围。计算结果表明:粘接胶层的厚度、匹配层的材料和厚度都对换能器的辐射功率有着较大影响。最后比较了换能器对水辐射时,粘接胶层和匹配层参数的设计方案,为实际匹配层的设计提供帮助。

关键词：匹配层粘接胶层特性阻抗厚度透射系数

匹配层对1-3型压电复合材料聚焦换能器带宽影响的研究

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匹配层对1-3型压电复合材料聚焦换能器带宽影响的研究

作者：孙瑛琦重庆医科大学

学位级别：硕士

研究背景聚焦超声换能器在高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)肿瘤治疗系统中处于核心位置,换能器的设计是HIFU技术的关键,其稳定的工作是进行安全有效的HIFU治疗的前提条件。通常情况下,换能器的谐振频率处于一... 详细信息

研究背景聚焦超声换能器在高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)肿瘤治疗系统中处于核心位置,换能器的设计是HIFU技术的关键,其稳定的工作是进行安全有效的HIFU治疗的前提条件。通常情况下,换能器的谐振频率处于一个频率范围内,该范围为换能器的频带宽度,简称为带宽,只有在带宽内才能使电信号和声信号之间进行有效的转换。增加换能器的带宽,可以降低频率选择性,同时也可以提高了换能器输出稳定性。匹配层作为换能器的一个重要组成部分,其设计良好可使声波能量在人体组织和换能器之间进行高效率的传输,降低失真的同时可展宽换能器的带宽。目的构建1-3型压电复合材料换能器匹配层的理论解析模型,分析换能器的电导特性,分别研究匹配层声阻抗及厚度对1-3型压电换能器带宽的影响,为1-3型压电复合材料匹配层换能器的设计提供理论依据。方法1.以1-3型压电复合材料的等应变模型为基础,结合声波的传播特性,建立单匹配层换能器的理论解析模型,推导匹配层换能器电导的解析解。分别改变匹配层的声阻抗及厚度,分析匹配层参数的改变对换能器电导性能的影响。2.使用PZFlex软件,构建了1-3型压电复合材料匹配层换能器在水中的有限元模型,对模型进行有限元仿真分析,得到换能器在水中的电导曲线,分析匹配层参数的改变对换能器性能的影响。3.通过切割-填充法制作1-3型压电复合材料,再使用浇灌法制备换能器的匹配层,使用阻抗分析仪测量换能器的阻抗曲线和电导曲线。对比有无匹配层的电导特性,并对比三种方式得到的结果。结果1.通过理论分析,建立了1-3型压电复合材料匹配层换能器的理论解析模型,并得到了匹配层换能器的电导解析解;改变匹配层声阻抗,随着声阻抗的增加,换能器的电导曲线出现双峰,双峰之间的凹谷也逐渐加深,当声阻抗为3.5 MRayl时,电导曲线双峰之间波动较小;改变匹配层厚度,当匹配层厚度为λ/4时,电导曲线的双峰高度相同,此时电导-3 dB带宽最大;通过解析模型得到,最佳匹配层参数:声阻抗为3.5 MRayl、厚度为λ/4,此时电导带宽约为401 kHz。2.建立了换能器在水中的有限元模型;匹配层声阻抗和厚度对换能器电导特性影响与解析结果相同;有限元法得到的最佳匹配层参数:声阻抗为3.5 MRayl、厚度为48.0l,此时电导带宽约为376 kHz。3.制作了1-3型压电换能器,在无匹配层情况下,电导带宽约为57 kHz,在有匹配层情况下,电导带宽约为390 kHz,增加换能器匹配层电导带宽增加了约7倍;对比两种理论和实测的结果可知,三种方式得到的阻抗曲线和电导一致性较好,且与实际结果相比,理论解析模型和有限元模型得到的谐振频率、反谐振频率及电导带宽变化率小于5%,证实了解析模型和有限元模型的准确性;实验的最佳匹配层参数:声阻抗为3.5 MRayl、厚度为48.0l。结论1.构建了1-3型压电复合材料换能器匹配层的理论解析模型和有限元模型,分别通过解析法和有限元法研究了匹配层的声阻抗和厚度对换能器电导特性的影响。2.制备1-3型压电复合材料换能器,对比增加匹配层后对换能器电导带宽带来的影响,结果表明,参数合适的匹配层能够明显的增加换能器的电导带宽。3.采用解析计算、有限元仿真与实验三种方式对比研究,结果显示,三种方式得到的结果吻合较好,相比于实测,电导带宽的变化率小于5%,证实了解析模型的有效性,故解析模型能够为1-3型压电复合材料换能器匹配层的设计提供理论依据;对比三种方式的最佳匹配层参数,在电学情况下,由于横向耦合的存在,λ/4并非是最优的厚度。

关键词： 1-3型压电复合材料超声换能器匹配层电导特性有限元仿真

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换能器匹配层参数的选定

陕西师范大学学报（自然科学版） 2009年第5期37卷 38-41页

作者：李珺张峰贺西平朱奕蔓陕西师范大学应用声学研究所陕西西安710062

采用多层介质声透射模型,计算了超声换能器对水辐射时声能透射效率较高的匹配层匹配参数(特性阻抗和厚度).对计算结果与声能透射效果图进行分析表明,特性阻抗在压电陶瓷与工作介质之间时匹配层厚度最佳值为四分之一波长的整数倍,否则匹... 详细信息

采用多层介质声透射模型,计算了超声换能器对水辐射时声能透射效率较高的匹配层匹配参数(特性阻抗和厚度).对计算结果与声能透射效果图进行分析表明,特性阻抗在压电陶瓷与工作介质之间时匹配层厚度最佳值为四分之一波长的整数倍,否则匹配层厚度取二分之一波长的整数倍.

关键词：匹配层特性阻抗厚度声透射

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换能器匹配层参数优化方法的研究

压电与声光 2015年第3期37卷 368-372页

作者：叶振洋吴浩东南京大学声学研究所近代声学教育部重点实验室江苏南京210093

匹配层技术是提高压电超声换能器性能的重要方法,获得宽带、高灵敏度超声换能器是换能器领域研究者的目标。该文以KLM模型为基础对换能器进行建模,得到换能器性能的评价函数。利用参数扫描法得到了单层匹配层的最优参数。计算表明,匹配... 详细信息

匹配层技术是提高压电超声换能器性能的重要方法,获得宽带、高灵敏度超声换能器是换能器领域研究者的目标。该文以KLM模型为基础对换能器进行建模,得到换能器性能的评价函数。利用参数扫描法得到了单层匹配层的最优参数。计算表明,匹配层厚度比声阻抗率对匹配效果影响更大;匹配层材料的声衰减对换能器性能有负面影响。根据优化结果,实际制作的以水和聚苯乙烯为工作介质的2.5 MHz换能器,-6dB带宽分别达到了94.3%和100.8%。

关键词：匹配层换能器灵敏度带宽超声波衍射时差法(TOFD)

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超声换能器环氧树脂-氧化铝匹配层研究

声学技术 2022年第4期41卷 630-636页

作者：张剑吕加兵朱鑫乐崔崤峣李章剑中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163 长春理工大学机电工程学院吉林长春130021

匹配层对超声换能器的性能起着至关重要的作用,寻找合适的匹配层材料是换能器设计中的关键步骤。提出了一种基于环氧树脂-氧化铝复合材料的匹配层材料。首先,测试了不同配比的环氧树脂-氧化铝复合材料的声学性能,对比了其声学特性,并确... 详细信息

匹配层对超声换能器的性能起着至关重要的作用,寻找合适的匹配层材料是换能器设计中的关键步骤。提出了一种基于环氧树脂-氧化铝复合材料的匹配层材料。首先,测试了不同配比的环氧树脂-氧化铝复合材料的声学性能,对比了其声学特性,并确定了材料的最佳配比。其次,研制了相应的换能器,分析该匹配层对换能器性能的影响,通过脉冲-回波方法测试了其性能参数。最后,基于四分之一波长匹配层原理对匹配层的厚度进行了优化。结果显示,环氧树脂中加入质量分数为60%的氧化铝粉末的匹配层对换能器的改善效果最佳,该方案减小了换能器接收回波的拖尾,接收回波的幅值提高至1136 mV(+104%),−6 dB带宽达到49.679%(+107%)。结果表明,氧化铝-环氧树脂混合材料可以提升换能器的声学性能,是较为理想的匹配层材料,在高频超声换能器的设计与应用中具有很好的应用前景。

关键词：高频超声换能器匹配层氧化铝环氧树脂带宽