一种超声换能器的制作方法

本发明涉及超声波检测领域，特别涉及一种超声换能器。

背景技术：

超声换能器是实现声能与电能相互转换的器件。用来发生声波的换能器叫发生器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接收声波的换能器叫接收器。换能器处在接收状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。本发明涉及的超声换能器为收发合置换能器。高灵敏度，高效率，小尺寸，大功率，宽频带的换能器是现在的发展方向。

在声波测井领域，一般所用的超声换能器频率在200-1mhz，常规的厚度向振动超声换能器依次由背衬、压电片、匹配层叠加构成，其振动模态为二分之一波长振动，但在较低频频段，常规换能器存在灵敏度低、带宽低的问题，无法满足无损检测高分辨率的需求。

工业超声领域解决带宽低的问题，往往采取匹配层技术。匹配层技术是在换能器的辐射面上粘贴一层或数层一定特性阻抗的匹配层材料，主要是通过产生双谐振或多谐振来拓宽带宽。另外能使换能器辐射面的阻抗与外界介质的声阻抗进行匹配，有利于声能的传输，从而达到拓宽带宽的效果，但这不能解决灵敏度低的问题，并且带宽拓宽效果有限，另一方面，传统的背衬需要增加自身厚度以保证吸声效果，从而增加了超声换能器的体积，降低了超声换能器的使用便利性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超声换能器，以解决现有技术中的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超声换能器，包括：压电层，所述压电层包括两个辐射面，所述压电层在收到电信号时能够同时向两个辐射面的方向发出超声波；匹配层，所述匹配层与一个所述辐射面连接；背衬台，所述背衬台的一侧面与所述压电层的另一个所述辐射面连接，所述背衬台沿远离所述压电层的方向呈缩口状。

进一步地，钳定背衬层，所述钳定背衬层设于所述背衬台与所述压电层之间，所述钳定背衬层能够阻止所述压电层向所述钳定背衬层方向发出超声波。

进一步地，所述背衬台为圆台，所述圆台的纵截面的形状为等腰梯形。

进一步地，所述压电层在厚度方向上的振动模态为所述超声波的波长的四分之一。

进一步地，所述压电层的组成材料为压电陶瓷材料、压电单晶材料或压电陶瓷复合材料。

进一步地，所述匹配层的数量为多个，多个所述匹配层顺序叠置连接后与所述压电层的一个所述辐射面连接，沿远离所述压电层的方向所述匹配层的声阻抗逐级减小。

进一步地，所述压电层的横截面、所述钳定背衬层的横截面和所述匹配层的横截面的形状均相同。

进一步地，所述钳定背衬层的材质为钨或碳化钨。

进一步地，所述钳定背衬层的声阻抗大于所述压电层的声阻抗。

进一步地，所述等腰梯形的两腰的延长线的夹角为50度-70度。

分析可知，本发明公开一种超声换能器，本换能器相较于传统的换能器带宽更高，灵敏度更强，在保有原有功能的同时，降低了产品厚度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1本发明一实施例的一种超声换能器的结构剖视示意图。

附图标记说明：1-背衬台；2-钳定背衬层；3-压电层；4-匹配层。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。

如图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种超声换能器，包括：压电层3、匹配层4和背衬台1，压电层3包括两个辐射面，图1中，压电层的上表面和下表面，压电层3在收到电信号时能够同时向两个辐射面的方向发出超声波；匹配层4与一个辐射面连接；背衬台1的一侧面与压电层3的另一个辐射面连接，背衬台1沿远离压电层3的方向呈缩口状，即背衬台的横截面积沿远离压电层的方向逐渐变小，换言之，在图1中，背衬台左右方向的宽度沿远离压电层的方向逐渐变小。

优选地，还包括钳定背衬层2，钳定背衬层2设于背衬台1与压电层3之间，钳定背衬层2能够阻止压电层3向钳定背衬层2方向发出超声波，钳定背衬层2与压电层3连接在一起，钳定背衬层2的存在使压电层3的背面建立起了钳定边界条件，由于钳定背衬层由碳化钨等材料组成，使压电层3与钳定背衬层2接触的这一面无法震动，因此，钳定背衬层2能够阻止压电层3向钳定背衬层2方向发出超声波，使超声波只向一个方向传播，将原来压电层3向两个方向释放的能量集中到一个方向。钳定背衬层2的声阻抗大于压电层3的声阻抗，例如，钳定背衬层2的声阻抗大于两倍的压电层3的声阻抗。

优选地，背衬台1为圆台，圆台包含第一底面和第二底面，第一底面与钳定背衬层2连接，第一底面的面积大于第二底面的面积，因为背衬台1为圆台，并且背衬台面积较大的底面与钳定背衬层2连接，因此背衬台1的横截面积从钳定背衬层2处逐渐减小，所以背衬台1的形成斜面，背衬台1主要起到吸声的作用，当声波遇到背衬台1的斜界面时会发生散射，使声波在背衬台1里多次反射，声波再被反射后传播方向是杂乱无章的，会使声波的传播路径变长，因而能够更好地消耗声能，取得良好的吸声效果，传统的背衬为圆柱形，当声音传递至背衬的底面时，会直接反射回压电层中，吸声效果不加，所以传统的背衬台需要增加额外的长度来满足吸声性能，而本申请的背衬台1在保证了吸声效果的同时，显著的减少了背衬台1的厚度。

优选地，背衬台的轴截面为等腰梯形，等腰梯形的两腰的延长线的夹角α为50度-70度，例如50度、55度、60度、65度、70度，其中优选为60度，在实际使用中，如果压电层3的截面形状不是圆形，背衬台1在制作时其形状能够根据压电层3的截面形状进行改变，从而保证背衬台1与钳定背衬层2的连接面的形状与压电层3的横截面形状相同。

优选地，传统超声换能器中压电层在厚度方向上的振动模态为二分之一超声波的波长，本超声换能器中的压电层3的厚度方向上的振动模态为四分之一超声波的波长，因此本超声换能器的压电层3可以显著的提高超声换能器的带宽，而且同等超声换能器的工作频率和超声换能器能量转换的最大频率下，本超声换能器的压电层3的厚度仅为传统压电层的一半，阻抗更小，灵敏度更大。

优选地，压电层3的组成材料为压电陶瓷材料、压电单晶材料和压电陶瓷复合材料中的一种。

优选地，在一些工作情况下，匹配层4的数量为多个，多个匹配层4顺序叠置连接后与压电层3的一个辐射面连接，沿远离压电层3的方向匹配层4的声阻抗逐级减小，匹配层4的数量优选为2个或3个，匹配层4会影响换能器的带宽和声音传递效率，匹配层4越多，带宽会越大，声音传递效率越高；压电层3的声阻抗为33mrayl，一般负载，比如水，声阻抗为1.5mrayl，声阻抗严重不适配，声音很难传递到水中，需要匹配层4进行过渡，例如，如果匹配层4只有1层的话，匹配层4声阻抗为3mrayl，如果匹配层4有两层的话，按照远离压电层3的方向，第一层的声阻抗为7mrayl，第二层的声阻抗为3mrayl，如果匹配层4有三层的话，按照远离压电层3的方向，第一层的声阻抗为9mrayl，第二层的声阻抗为4.5mrayl，第三层的声阻抗为1.8mrayl，匹配层4的声阻抗介于压电层3与负载之间。

优选地，压电层3的横截面、钳定背衬层2的横截面和匹配层4的横截面的形状均相同。

优选地，钳定背衬层2由高声阻抗材料制作而成，钳定背衬层2的声阻抗能够达到100兆瑞利，钳定背衬层2的材质优选为钨或碳化钨中的一种，也可以为其他高声阻抗材料。

优选地，背衬台1的由环氧树脂和钨粉组成，也可以为其他能够起到吸声效果的材料。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。