基于轻质声学匹配层结构的空气-声音换能器对的开发

《Ultrasonics》：Development of air-sound transducer pairs based on a lightweight acoustic matching layer structure

　　

黄仁海|夏莉莉|王宏伟

北京信息科技大学理学院，中国北京100192

摘要

为了解决平面空气耦合换能器中常见的应力分布不均、传输效率低和波束发散问题，开发了一种轻量级的空气-空气声学收发器，该收发器采用了一种腔体结构的声学匹配层。首先分析了压电陶瓷的工作行为，并基于薄压电盘的径向振动模式建立了机电等效模型。然后进行了有限元仿真，以模拟换能器的振动特性、谐波响应和声场分布。详细研究了匹配层厚度的影响，从而确定了合适的结构尺寸和材料参数，为后续实验提供了理论依据。在实验过程中，制造了腔体结构的匹配层，其测量得到的声阻抗为0.1082 MRayl，声衰减系数为0.247 dB/mm。实验结果表明，与平面设计相比，所提出的腔体结构换能器的绝对带宽提高了2.06倍，接收信号幅度提高了约1.5倍，双向插入损耗（IL）降低了25 dB，且测得的指向性开角为14°。这些结果表明，具有这种匹配层配置的换能器在高效、便携和经济可行的空气耦合超声应用中具有很强的潜力。

引言

超声波是由频率高于20 kHz的声波组成的，其特点是穿透能力强、能量集中、波长短且方向性高。这些特性使得超声波在医学诊断、科学研究和工业检测中得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。超声检测作为超声波的核心应用，是一种成熟的无损检测技术，它依靠波在材料界面处的传播、反射和传输来进行检测、成像和距离测量[4]、[5]、[6]。传统的超声检测通常需要液体或凝胶作为耦合剂，以确保能量有效传递到复合材料中。然而，这一要求限制了其在与液体不兼容的材料中的应用，包括纸板管[7]、柔性多孔介质[8]、木材[9]、水泥基混合物[10]和脆性混合复合材料[11]。在这种情况下，空气耦合换能器通过使用空气作为传输介质提供了一种非接触式的替代方案。然而，它们的性能受到压电陶瓷与空气之间较大声阻抗不匹配的严重限制[12]，这导致空气-固体界面处的传输效率极低且信号衰减显著。Hillger等人[13]报告称，如果没有适当的匹配层，信号幅度可能会损失大约80-90 dB。

研究表明，使用声学匹配层不仅可以提高传输效率，还可以提高空气耦合换能器的接收灵敏度和带宽。Xu等人[14]报道了一种基于硅的匹配层，该匹配层含有空心玻璃微球，实现了约1.04 MRayl的声阻抗和0.43 dB/mm的衰减系数。也有人研究了基于聚合物的复合匹配层。Kang等人[15]研究了填充有空心玻璃微粒的热固性环氧树脂、聚氨酯和水凝胶基质，并通过实验优化确定了合适的体积分数，验证结果的准确度达到了99.37%。最近，Lou等人[16]介绍了一种超轻量的聚酰亚胺气凝胶匹配层，其声阻抗为0.034 MRayl，接近理论最优值，使得压电陶瓷向空气的能量传输效率超过了90%。除了单层设计外，还探索了多层匹配概念以进一步提高性能。Wang等人[17]提出了一种基于1-3层压电复合材料和双层匹配结构的空气耦合换能器，其中第二层使用了MCE微膜滤波器，从而提高了灵敏度和带宽。Zhou等人[18]随后验证了双层策略，并开发了一种建模方法来预测匹配层的声学特性并指导换能器的优化。上述大多数研究采用的活性组件是厚度膨胀振动器，这导致压电元件过大，从而增加了激励的难度。

尽管取得了这些进展，多层匹配结构的设计和优化仍然很复杂，许多平面空气耦合换能器仍存在能量分散和波束发散的问题。为了解决这个问题，Zhou等人[19]修改了匹配层的几何形状，实现了18毫米焦点的超声聚焦。álvarez-Arenas等人[20]提出了一种相关的聚焦方法，开发了一种能够集中声能并提高横向分辨率和灵敏度的专用聚焦结构。Zhao等人[21]开发了一种基于半凹压电元件的自聚焦高频超声换能器，有效提高了换能器的横向分辨率和带宽，但高工作频率导致了过度的超声衰减和接收信号水平不足。为了解决空气与固体之间的声阻抗不匹配问题，Tang等人[22]优化了激励元件。他们在空气耦合换能器中使用了低声阻抗的机电薄膜（EMFi）作为振动元件，证明了在此类设备中使用新型活性元件的可行性。然而，像EMFi这样的低阻抗材料的压电系数低于PZT材料，导致灵敏度降低。除了与波束相关的问题外，传统的平面空气耦合换能器在制造过程中经常会出现封装不均匀的问题，从而导致内部应力不均匀和机械性能下降；已有报道指出，集成封装策略可以有效缓解这一问题[23]。考虑到这些因素，本文提出了一种基于径向振动压电元件的空气耦合换能器，并研究了匹配层结构修改对换能器性能的影响。

如图1所示，本文提出了一种针对低频空气耦合换能器的优化声学匹配层结构，该结构基于传统的平面匹配层设计。所提出的结构在优化换能器振动模式的同时实现了声阻抗匹配。具体来说，引入了腔体结构的匹配层，对压电薄盘施加径向位移约束，从而修改了原有的自由边界条件。因此，径向振动被转换为径向对称的厚度振动，增强了机电耦合能力。此外，匹配层的辐射表面设计为圆锥形轮廓，以产生聚焦的声波束，从而提高了换能器的横向分辨率。基于这种设计的空气耦合换能器通过集成封装工艺制造出来，实现了紧凑轻量化的设备，并具有宽带操作能力。与平面空气耦合换能器相比，原型在时间域中表现出较低的信号衰减和更短的衰减时间，同时在频率域中具有更大的带宽和更低的双向插入损耗。

章节摘录

换能器结构

这种空气耦合换能器的结构如图2所示，包括一个薄片压电元件、柔软的橡胶背衬、密封剂、定制设计的腔体型匹配层、柔软的橡胶套筒和PLA聚合物外壳。薄片压电盘的厚度远小于其直径，它是核心组件，其径向振动模式决定了其主要工作原理。腔体型匹配层补偿了声学不匹配问题

如图3所示，电极沉积在垂直于z轴的两个圆形表面上，极化方向与z轴相同。在工作频率范围内，晶圆厚度t远小于波长λ。在圆柱坐标系中分析薄片的径向振动更为方便。在这个系统中，控制压电元件的基本方程可以表示为如下形式。

为了研究各种几何参数对换能器性能的影响并确定主要影响因素，使用COMSOL Multiphysics建立了换能器的有限元模型，并进行了数值仿真。首先建立了换能器的二维轴对称模型。几何模型包括压电陶瓷、匹配层、空气介质、背衬和密封剂。主要几何参数如下：

根据理论计算和仿真分析，制造了换能器并进行了测试。所选压电元件的直径为10毫米，厚度为0.75毫米，匹配层厚度为3.9毫米，并具有腔体型结构。图8展示了整个装配过程。首先用酒精清洁了压电陶瓷表面，然后在其极化表面上焊接了电线。之后处理了匹配层

本文提出了一种基于传统平面匹配层设计的空气-空气换能器的优化声学匹配层结构。在这种方法中，在压电元件周围引入了腔体型匹配层，以施加径向位移约束，从而修改了原有的自由边界条件。因此，径向振动被转换为径向对称的厚度振动，提高了辐射能力

资金声明

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号12072041）的部分支持。

黄仁海：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，验证，软件开发，调查，形式分析，数据管理，概念化。夏莉莉：监督，资源提供，方法论，资金获取，形式分析。王宏伟：监督，资源提供，方法论，资金获取，概念化。

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。