匡泓錦　郭永強　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，能實現(xiàn)聲阻抗匹配或過渡，使壓電晶片與被測物體之間的聲強透射率大幅度提高，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聲強透射率的影響，為換能器的匹配層設(shè)計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，因為壓電材料和被測物體之間的聲阻抗失配將使得聲能無法有效傳遞[1]。以水聽器為例，當(dāng)沒有匹配層耦合時，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，其聲強透射率僅為0.16。通過合理的匹配層，可以使壓電晶體和被測物體之間的聲強透射率得到大幅度的提高，實現(xiàn)聲阻抗匹配或過渡，使得靈敏度提高，失真減小。一般在超聲成像，超聲檢測及超聲探傷等一些小信號場合應(yīng)用超聲換能器的聲學(xué)匹配，在超聲匹配過程中，起到聲阻抗匹配或過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聲強透射率的影響，為壓電式換能器的設(shè)計提供一定的參考。

1 匹配層的設(shè)計原理

1.1 匹配層設(shè)計的聲學(xué)基礎(chǔ)

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，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，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個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，Pt為透射聲強，Pr為反射聲強。

則由第一介質(zhì)到第二介質(zhì)的聲強透射率公式為：

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)的聲阻抗對于聲波的透射是非常重要的[5]。

對于Z1≠Z2≠Z3，即非均勻介質(zhì)中的薄層，比如壓電片—匹配層—待測件。其聲強透射率為：

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

1.2 匹配層的設(shè)計要求

本文使用的壓電材料為PZT-5，聲阻抗為檢測件為鋼管，兩者的聲阻抗差別不大，不設(shè)計匹配層，直接接觸檢測時，由上式（1）計算得聲強透射率T=0.97。聲強透射率很大，理論上不需要進行匹配層設(shè)計就能保證較高的聲強透射率，考慮到壓電晶片需要匹配層來避免外界機械損害及腐蝕。因此需要選擇合適的材料作為匹配層來對壓電晶片起到保護作用，同時不能降低壓電元件與碳鋼管道間的聲強透射率，匹配層的選擇要求其聲阻抗介于檢測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）改寫為式（3）：

式中，C2表示匹配層中聲波的波速，f2表示檢測頻率。

對于超聲導(dǎo)波管道檢測而言，檢測頻率通常在20kHz-200kHz之間。本文中檢測管道為碳鋼管道，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，不同頻率f所對應(yīng)聲強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，不同頻率所對應(yīng)聲強透射率隨匹配層厚度的變化曲線圖。

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

運用L（0，2）模態(tài)超聲導(dǎo)波進行檢測時，需要以掃頻的方式確定最佳激勵頻率，因此希望頻率的變化對匹配層的聲強透射率影響較小。由此可知，304不銹鋼為匹配層材料的較佳選擇。

3 結(jié)束語本文分析了匹配層的設(shè)計要求，通過數(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聲強透射率的影響，發(fā)現(xiàn)在匹配層選用304不銹鋼片時，頻率和匹配層厚度的變化對聲強透射率的影響較小。對超聲導(dǎo)波換能器的匹配層的設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)。

【參考文獻】

[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[M].南京：南京大學(xué)出版社，1999：22-23.endprint