基于压电效应的声阻抗匹配装置及方法与流程

本发明属于超声波换能器技术领域，具体涉及一种基于压电效应的声阻抗匹配装置及方法。

背景技术：

在有关超声换能器的所有应用技术中，包括理论分析及工程设计，声阻抗匹配技术对于换能器辐射声能的高效传输是极为重要的。针对各种不同的超声波应用技术，换能器的负载是不同的。从空气负载到固体负载，其声阻抗率的变化范围是巨大的，大概为几百瑞利到几十兆瑞利。因此，为了保证换能器在不同负载环境下的正常工作，必须进行换能器的声阻抗匹配。

目前，换能器声阻抗匹配主要采用声阻抗匹配层技术，即在换能器和负载之间插入一层或多层匹配材料，如图1所示。通过选择匹配层的材料和几何尺寸，实现不同负载的声阻抗匹配。这种阻抗匹配方法属于机械的方法，在具体的实际应用中，换能器的负载各式各样，差异很大，因此，为了实现换能器的理想匹配，需要对换能器的匹配材料进行严格的配方制备和尺寸选择。一般情况下，利用换能器的匹配层技术进行负载匹配，很难满足各种各样换能器负载阻抗匹配的需要。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于压电效应的声阻抗匹配方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

基于压电效应的声阻抗匹配装置，包括背衬层、压电换能器和匹配层，其中，所述匹配层采用压电陶瓷匹配层结构。

作为本发明的进一步说明，所述匹配层的两个电极面之间连接有一个数值可改变的电阻抗。

作为本发明的进一步说明，所述电阻抗为电阻、电感或电容。

作为本发明的进一步说明，所述电阻抗为电阻、电感、电容任意两者串并联阻抗或者三者串并联阻抗。

作为本发明的进一步说明，所述压电陶瓷匹配层结构为厚度极化的压电陶瓷圆盘，在所述压电陶瓷圆盘的两端面镀有金属银层。

作为本发明的进一步说明，所述压电陶瓷匹配层结构所使用的压电陶瓷材料根据所述压电换能器的负载阻抗而选用。

作为本发明的进一步说明，所述压电陶瓷匹配层结构的几何尺寸根据所述压电换能器的负载阻抗而确定。

根据上述装置的基于压电效应的声阻抗匹配方法，包括以下步骤：

步骤一、压电换能器在外加电信号的作用下，借助压电效应把电能转换为机械能，产生机械振动，所述机械振动分为两部分；

步骤二、一部分机械振动传播进入压电换能器的背衬层中，被所述背衬层吸收；另一部分机械振动传播进入压电换能器的匹配层中，经过匹配层进入负载介质中。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明中匹配层使用压电陶瓷类材料，并在匹配层两个电极面之间连接一个数值可以改变的电阻抗，利用压电效应，通过改变压电陶瓷材料、改变压电陶瓷匹配层的几何尺寸、改变匹配层两个电极面之间的电阻抗以及三者结合的优化设计，来实现超声波换能器任何负载阻抗的理想匹配，大大降低了传统的声阻抗匹配技术的成本。

附图说明

图1是超声波换能器的匹配层匹配技术原理示意图。

图2是本发明的基于压电效应的声阻抗匹配装置及方法示意图。

图3是本发明的基于压电效应的声阻抗匹配装置及方法中匹配层的机电等效电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图2所示，基于压电效应的声阻抗匹配装置，包括背衬层、压电换能器和匹配层，其中，匹配层采用压电陶瓷匹配层结构，匹配层的两个电极面之间连接有一个数值可改变的电阻抗。

上述电阻抗可以为电阻、电感、电容，也可以为电阻、电感、电容任意两者串并联阻抗或者三者串并联阻抗，通过改变电阻抗实现压电陶瓷匹配层机械阻抗的改变，进而达到换能器负载阻抗的理想匹配。

压电陶瓷匹配层结构为厚度极化的压电陶瓷圆盘，在所述压电陶瓷圆盘的两端面镀有金属银层，基于压电陶瓷类材料的压电效应，压电陶瓷匹配层结构所使用压电陶瓷材料和几何尺寸均根据所述压电换能器的负载阻抗而选用和确定，尤其是匹配层的厚度，相同的换能器使用不同厚度的压电陶瓷圆盘作为匹配层，能够达到不同匹配效果。

实施例2：

如图2所示，本发明的基于压电效应的声阻抗匹配方法，包括以下步骤：

步骤一、压电换能器在外加电信号的作用下，借助压电效应把电能转换为机械能，产生机械振动，机械振动分为两部分；

步骤二、一部分机械振动传播进入压电换能器的背衬层中，被所述背衬层吸收；另一部分机械振动传播进入压电换能器的匹配层中，经过匹配层进入负载介质中。

基于压电陶瓷类材料的压电效应，通过上述步骤对压电换能器进行声阻抗匹配，能够使压电换能器产生的机械振动高效的转播到负载介质中，同时大大降低了传统声匹配技术的成本。

实施例3：

在上述实施例的基础上，如图3所示，本发明的基于压电效应的声阻抗匹配方法中匹配层的机电等效电路图，图中Z₁,Z₂,Z₃是压电陶瓷匹配层的等效电路阻抗，C₀是压电陶瓷匹配层的静态电容，n是压电陶瓷匹配层材料的机电转换系数。Ze是连接在压电陶瓷匹配层两端的可变电阻抗，该电阻抗可以是电阻，电感，电容或者三者之间的任意串并联复合。Z_L是换能器辐射介质的负载阻抗，也就是未经匹配以前换能器的负载阻抗，Zim是经过压电陶瓷匹配层匹配以后压电陶瓷匹配层的输入机械阻抗，也就是压电陶瓷换能器的负载阻抗。由图3可以得出经过压电陶瓷匹配层匹配以后的换能器的负载阻抗为，

$Z_{im}=Z_1+\frac{(Z_2+Z_L)(Z_3+Z_m)}{Z_2+Z_3+Z_L+Z_m}---\left(2\right)$

(2)式中，

由上述二式可以看出，压电陶瓷匹配层的匹配阻抗Z_im不但和压电陶瓷匹配层本身的材料参数及几何尺寸有关，而且还和连接于压电陶瓷匹配层两端的电阻抗Z_e有关，因此，通过合理的选择压电陶瓷匹配层的材料参数和几何尺寸，同时改变外界电阻抗Z_e的性质和数值，可以实现换能器负载匹配阻抗的连续改变，从而完成换能器在不同负载阻抗下的声阻抗匹配。

基于上述实施例，提供以下三个具体例子，压电陶瓷换能器为传统的发射型压电陶瓷圆盘结构，其辐射声场近似为活塞辐射声场，因此换能器的特性机械阻抗可用公式ρcS近似计算，其中ρ,c,S分别是压电陶瓷换能器材料的密度、声速以及辐射面面积。对于传统的发射型压电陶瓷材料，其数值大概为47100力欧姆。三个实施例子分别对应压电陶瓷换能器向空气介质、液体介质以及固体介质中辐射声波：

例1：以空气作为换能器的负载，当换能器辐射面半径为20mm时，其负载机械阻抗近似为1.5力欧姆。压电陶瓷匹配层的材料为PZT-4，匹配层的半径为20mm,厚度为2mm。表1为在不同的电阻抗下，经压电陶瓷匹配层匹配以后的输入机械阻抗(即匹配以后的阻抗)与频率的关系。

表1

例2：以水作为换能器的负载，当换能器辐射面半径为20mm时，其负载机械阻抗近似为1880力欧姆。压电陶瓷匹配层的材料为PZT-4，匹配层的半径为20mm,厚度为2mm。表2为在不同的电阻抗下，经压电陶瓷匹配层匹配以后的输入机械阻抗(即匹配以后的阻抗)与频率的关系。

表2

例3：以固体(金属铝材料)作为换能器的负载，当换能器辐射面半径为20mm时，其负载机械阻抗近似为17500力欧姆。压电陶瓷匹配层的材料为PZT-4，匹配层的半径为20mm,厚度为2mm。表3为在不同的电阻抗下，经压电陶瓷匹配层匹配以后的输入机械阻抗(即匹配以后的阻抗)与频率的关系。

表3

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。