聲阻抗匹配層OPCM超聲換能器的設(shè)計和實驗研究.pdf

1、超聲換能器是實現(xiàn)電信號與聲訊號相互轉(zhuǎn)換的器件,是超聲成像、超聲醫(yī)學、無損檢測等領(lǐng)域的重要組成部分。OPCM(正交異性壓電復(fù)合材料)超聲換能器因其特有的正交異性特征,在工程結(jié)構(gòu)損傷檢測過程中具有發(fā)射和接受定向波信號的能力,有助于提高結(jié)構(gòu)損傷定位精度,這種特性使得OPCM超聲換能器在工程結(jié)構(gòu)檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,先前研制的OPCM換能器存在著OPCM元件與工作介質(zhì)聲阻抗不匹配等不足之處,聲阻抗的顯著差異不僅降低了OPCM元件與

2、工作負載之間的聲能傳輸效率,而且使OPCM元件以高Q值諧振,頻帶窄而脈沖長,從而嚴重影響了換能器的發(fā)射、接收靈敏度。為了解決以上問題,可以采用在OPCM超聲換能器輻射端加聲阻抗匹配層。聲阻抗匹配層能夠在OPCM元件與工作負載之間起到匹配聲阻抗的能力,可以有效拓寬換能器的工作頻帶,能夠進一步提高超聲檢測設(shè)備分辨率和工作適應(yīng)能力。因此,優(yōu)化設(shè)計帶聲阻抗匹配層的OPCM超聲換能器和相應(yīng)的實驗研究成為本文研究的重點。
　　 本文首先介紹

3、了超聲波在介質(zhì)中的傳播特性,以及壓電材料與壓電效應(yīng)的基本理論,為帶聲阻抗匹配層的OPCM超聲換能器的優(yōu)化設(shè)計和實驗研究提供理論依據(jù)。其次,介紹了有限單元法在壓電復(fù)合材料分析中的基本理論和方法,以及采用有限元方法解決壓電問題的基本過程；概述了有限元軟件COMSOL Multiphysics在壓電復(fù)合材料分析中的一般步驟和注意事項,總結(jié)出采用COMSOL Multiphysics分析壓電換能器的一般流程；分析了聲阻抗匹配層相關(guān)材料特性(泊松

4、比、彈性模量和密度)對OPCM換能器驅(qū)動性能和傳感性能的影響,為尋找理想的聲阻抗匹配層材料打下基礎(chǔ)。最后,通過實驗獲得了鎢粉-環(huán)氧樹脂合成材料中的鎢粉質(zhì)量百分比與其聲阻抗的關(guān)系曲線和鎢粉-環(huán)氧樹脂合成材料中的鎢粉質(zhì)量百分比與其聲速的關(guān)系曲線,為獲得適用于OPCM換能器聲阻抗匹配層材料的鎢粉-環(huán)氧樹脂的最佳配比打下基礎(chǔ)；研究了聲阻抗匹配層與OPCM換能元件間的聲阻抗關(guān)系；在原有OPCM元件構(gòu)造原理研究的基礎(chǔ)上,研制了帶聲阻抗匹配層的OPC