專利名稱：聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超聲換能器，特別是涉及一種聲阻抗連續(xù)變化的超 聲換能器。
背景技術(shù)：
超聲換能器是一種把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，將其發(fā)送到工作介質(zhì)中去， 然后又將經(jīng)過工作介質(zhì)傳播、散射或反射回來的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的無源、 被動(dòng)的雙向器件。超聲換能器的性能，是決定相應(yīng)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵器件。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)超聲換能器包括壓電層1、匹配層2、背襯3和聲 透鏡4，為了使超聲換能器有較高的機(jī)一電效率，超聲換能器通常采用兩層 或多層的匹配層，使得高聲學(xué)阻抗的壓電層1與低聲學(xué)阻抗的工作介質(zhì)有較 好的耦合。圖l所示的超聲換能器的匹配層為兩層，這是目前極為普遍采用 的。
即使采用多層匹配層，高聲學(xué)阻抗的壓電層1與低聲學(xué)阻抗的工作介質(zhì) 之間也會(huì)存在聲阻抗失配。假定壓電材料的聲阻抗是Z。，工作介質(zhì)的聲阻抗 是^，第/層匹配層的聲阻抗Z,可表示為
Z, = (Z,."。Z, + 1)7， / = l， 2，……，(i)
當(dāng)/ = 1時(shí) Zw = Z0 □ Zc
當(dāng)/ = 時(shí) = Zw+1 □ Zm
其中，iv是匹配層的總層數(shù)，7是大于2的有理數(shù)字，取決于不同的理論實(shí) 驗(yàn)研究的結(jié)果。以兩層匹配層的超聲換能器為例，壓電陶瓷片的聲阻抗是32 MRayl，第一匹配層(與壓電層1相鄰)的聲阻抗和第二匹配層的聲阻抗按公 式(l)做計(jì)算，分別為9.03 MRayl和2.55 MRayl (假定工作介質(zhì)的聲阻抗為 1.5 MRayl,計(jì)算的y取為2)。由此可知，兩層匹配層的超聲換能器，高聲學(xué) 阻抗的壓電層與低聲學(xué)阻抗的工作介質(zhì)之間存在聲阻抗失配。
3在第二層匹配層與聲透鏡4之間，也會(huì)存在聲阻抗失配的問題，如聲透 鏡4常用RTV硅橡膠材料制成，RTV的聲阻抗約為1. 3 MRayl，將存在有22 = 2.55 MRayl和Z,二1.3 MRayl的聲阻抗失配。由此造成的聲能反射系數(shù)為
相應(yīng)的聲壓反射系數(shù)為32.5%;相應(yīng)的聲強(qiáng)透聲系數(shù)為7 = 1-/ = 89%。也就是 說，對(duì)于常用兩層匹配層的超聲換能器，將會(huì)有10. 5%的聲能量不能發(fā)送到 工作介質(zhì)中。
這種超聲換能器的缺點(diǎn)是
1、 如果采用少量的匹配層，采用一至二層匹配層(這是目前絕大多數(shù)超 聲換能器采用的方法)，那么聲學(xué)匹配的效果是"臺(tái)階"式的，不能完全和工 作介質(zhì)的聲阻抗匹配。
2、 多層匹配可以改善聲學(xué)匹配的效果，但每增加一層匹配層，同時(shí)也增 加一層粘結(jié)層。這不僅增加了超聲換能器結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，同時(shí)也造成了聲 波在粘結(jié)層中的多次反射，從而降低超聲換能器的其他方面的性能。
3、 由于第二層匹配層與聲透鏡之間存在阻抗失配，有一部分能量不能發(fā) 送到工作介質(zhì)中，這部分能量將在聲透鏡和工作介質(zhì)的界面以及聲透鏡和第 二匹配層的界面之間產(chǎn)生多次反射，這種多次反射的結(jié)果，造成超聲成像系 統(tǒng)中出現(xiàn)明顯的近場(chǎng)亮暗條紋。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 使高聲學(xué)阻抗的壓電層和低聲學(xué)阻抗的工作介質(zhì)很好地匹配耦合。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是 一種聲阻抗連續(xù)變化的 超聲換能器，包括依次重疊設(shè)置的背襯、壓電層，特點(diǎn)在于，在所述壓電層 和工作介質(zhì)之間設(shè)有聲阻抗連續(xù)變化層。
上述聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續(xù)變化層由粒 徑相同、比重不同的聲學(xué)材料顆粒與高分子耦合劑混合固化構(gòu)成。
上述聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續(xù)變化層與壓 電層相鄰的表面的聲阻抗值&與壓電層的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續(xù)變相鄰的表面的聲阻抗值z(mì),與工作介質(zhì)的聲阻抗值相等。
上述聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其中，在所述聲阻抗連續(xù)變化層與 工作介質(zhì)之間加入透鏡層，所述聲阻抗連續(xù)變化層與壓電層相鄰的表面的聲
阻抗值Zw與壓電層的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續(xù)變化層與透鏡層相鄰的 表面的聲阻抗值z(mì),與透鏡層的聲阻抗值相等。
上述聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其中，在所述背襯與壓電層之間也 設(shè)置聲阻抗連續(xù)變化層。
上述聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續(xù)變化層與背 襯相鄰的表面的聲阻抗值與背襯的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續(xù)變化層與 壓電層相鄰的表面的聲阻抗值與壓電層的聲阻抗值相等。
上述聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續(xù)變化層的聲
阻抗沿縱向由高聲阻抗值^向低聲阻抗值z(mì),連續(xù)分布。
本實(shí)用新型由于采用上述技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的
優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1、 本實(shí)用新型聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器只需一層阻抗連續(xù)變化層就 能使高聲學(xué)阻抗的壓電層和低聲學(xué)阻抗的工作介質(zhì)很好地匹配耦合，因此在 壓電層和工作介質(zhì)之間不必再采用多層結(jié)構(gòu)的匹配層，也不必引入層與層之 間的粘結(jié)層，能減少聲波在結(jié)構(gòu)層之間的多次反射，提高聲能量的發(fā)射效率， 有效改善超聲成像系統(tǒng)中近場(chǎng)明暗干擾條紋對(duì)成像質(zhì)量的影響。
2、 本實(shí)用新型聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器只需一層阻抗連續(xù)變化層就 能達(dá)到很好的聲學(xué)匹配效果，使超聲換能器結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的材料多層結(jié)構(gòu)大 為簡(jiǎn)化。
3、 由于聲阻抗連續(xù)變化層的聲阻抗在縱向呈連續(xù)分布，將高聲學(xué)阻抗Zh 端和低聲學(xué)阻抗Z,端直接耦合起來，實(shí)現(xiàn)沒有多次反射的完全匹配耦合，使 超聲換能器得到最佳的聲學(xué)性能。
4、 本實(shí)用新型聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器的背襯與壓電層之間，也可 以設(shè)置聲阻抗連續(xù)變化層，能實(shí)現(xiàn)背襯與壓電層之間聲阻抗的完全匹配耦合， 使來自壓電層背向輻射的超聲波能全部透進(jìn)背襯，不再反射回壓電層。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖(壓電層 與聲透鏡層之間設(shè)有聲阻抗連續(xù)變化層)。
圖3是本實(shí)用新型聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖(壓電層 與聲透鏡層之間、壓電層與背村之間都設(shè)有聲阻抗連續(xù)變化層)。
圖4是聲阻抗連續(xù)變化層內(nèi)部結(jié)構(gòu)截面圖。
具體實(shí)施方式
以下參見附圖具體說明本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式
一種聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，包括依次重疊設(shè)置的背襯、壓電層， 特點(diǎn)在于，在所述壓電層和工作介質(zhì)之間設(shè)有聲阻抗連續(xù)變化層。
所述聲阻抗連續(xù)變化層由粒徑相同、比重不同的聲學(xué)材料顆粒與高分子 耦合劑混合固化構(gòu)成。
所述聲阻抗連續(xù)變化層與壓電層相鄰的表面的聲阻抗值；與壓電層的
聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續(xù)變化層與工作介質(zhì)相鄰的表面的聲阻抗值z(mì),
與工作介質(zhì)的聲阻抗值相等。 實(shí)施例一、
在本實(shí)施例中，超聲換能器不直接與工作介質(zhì)接觸，加入一透鏡層。
參見圖2， 一種聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，包括依次重疊設(shè)置的背 襯3、壓電層l、聲阻抗連續(xù)變化層5和透鏡層4。
所述聲阻抗連續(xù)變化層5由粒徑相同、比重不同的聲學(xué)材料顆粒與高分 子耦合劑混合固化構(gòu)成。
粒徑相同、比重不同的聲學(xué)材料顆粒與高分子耦合劑混合后在重力的作 用下，顆粒按比重大小，由大至小依次縱向排列。參見圖4，在固化后形成 的聲阻抗連續(xù)變化層5中，高聲阻抗材料顆粒位于聲阻抗連續(xù)變化層5的下 端，低聲阻抗材料顆粒位于聲阻抗連續(xù)變化層5的上端。聲阻抗值為Zw的材 料顆粒位于聲阻抗連續(xù)變化層5的最底端(聲阻抗值為^的材料顆粒的比重 最大)，聲阻抗值為Z,的材料顆粒位于聲阻抗連續(xù)變化層5的最上端(聲阻抗 值為Z,的材料顆粒的比重最小)。
所述聲阻抗連續(xù)變化層的聲阻抗沿縱向由高聲阻抗值^向低聲阻抗值z(mì),連續(xù)分布。
所述壓電層l可選用壓電晶體，如石英、酒石酸鉀鈉晶體，或者各種不
同組分的鈮鎂酸鉛一鈦酸鉛(PMN—PT)、鈮鋅酸鉛—鈦酸鉛(PZN—PT)壓電 單晶材料，也可選用壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鈦酸鉛、或者各種不同組分鋯鈦 酸鉛(PZT)壓電陶瓷層。
在所述壓電層1和透鏡層4之間設(shè)置聲阻抗連續(xù)變化層5，只需一層， 就能實(shí)現(xiàn)不同聲阻抗之間的聲匹配，使超聲換能器結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的材料多層 結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，減少了聲波在結(jié)構(gòu)層之間的多次反射，提高了聲能量的發(fā)射 效率，有效改善了超聲成像系統(tǒng)中近場(chǎng)明暗干擾條紋對(duì)成像質(zhì)量的影響。
實(shí)施例二
參見圖3，實(shí)施例二與實(shí)施例一的區(qū)別在于，在所述背襯3與壓電層1 之間也設(shè)置聲阻抗連續(xù)變化層，該聲阻抗連續(xù)變化層與背襯3相鄰的表面的 聲阻抗值與背襯3的聲阻抗值相等，而聲阻抗連續(xù)變化層與壓電層1相鄰的 表面的聲阻抗值與壓電層1的聲阻抗值相等。同樣地，該聲阻抗連續(xù)變化層 的聲阻抗沿縱向連續(xù)分布，該聲阻抗連續(xù)變化層的制備方法與壓電層1和透 鏡層4之間的聲阻抗連續(xù)變化層5的制備方法相同。
在超聲換能器的背襯與壓電層之間設(shè)置聲阻抗連續(xù)變化層，能實(shí)現(xiàn)背襯 與壓電層之間聲阻抗的完全匹配耦合，使來自壓電層背向輻射的超聲波能全 部透進(jìn)背襯，不再反射回壓電層。
權(quán)利要求1、一種聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，包括依次重疊設(shè)置的背襯(3)、壓電層(1)，其特征在于，在所述壓電層(1)和工作介質(zhì)之間設(shè)有聲阻抗連續(xù)變化層(5)。
2、 如權(quán)利要求1所述的聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其特征在于，所 述聲阻抗連續(xù)變化層(5)與壓電層(1)相鄰的表面的聲阻抗值^與壓電層(1)的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續(xù)變化層(5)與工作介質(zhì)相鄰的表面 的聲阻抗值Z,與工作介質(zhì)的聲阻抗值相等。
3、 如權(quán)利要求1所述的聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其特征在于，在 所述聲阻抗連續(xù)變化層(5)與工作介質(zhì)之間加入透鏡層(4)，所述聲阻抗連 續(xù)變化層(5)與壓電層(1)相鄰的表面的聲阻抗值^與壓電層(1)的聲 阻抗值相等，所述聲阻抗連續(xù)變化層(5)與透鏡層(4)相鄰的表面的聲阻 抗值Z,與透鏡層(4)的聲阻抗值相等。
4、 如權(quán)利要求1或3所述的聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其特征在于， 在所述背襯(3)與壓電層(1)之間也設(shè)置聲阻抗連續(xù)變化層。
5、 如權(quán)利要求4所述的聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其特征在于，所 述聲阻抗連續(xù)變化層與背襯(3)相鄰的表面的聲阻抗值與背襯(3)的聲阻 抗值相等，所述聲阻抗連續(xù)變化層與壓電層(1)相鄰的表面的聲阻抗值與壓 電層(1)的聲阻抗值相等。
6、 如權(quán)利要求1或5所述的聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，其特征在于， 所述聲阻抗連續(xù)變化層的聲阻抗沿縱向由高聲阻抗值^向低聲阻抗值Z,連 續(xù)分布。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器，包括依次重疊設(shè)置的背襯、壓電層，在所述壓電層和工作介質(zhì)之間設(shè)有聲阻抗連續(xù)變化層。本實(shí)用新型聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器只需一層聲阻抗連續(xù)變化層就能實(shí)現(xiàn)不同聲阻抗之間的聲匹配，使超聲換能器的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，而且不存在結(jié)構(gòu)層之間的多次反射，提高了聲能量的發(fā)射效率。
文檔編號(hào)B06B1/06GK201261009SQ200820151708
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
發(fā)明者袁建人 申請(qǐng)人:上海愛培克電子科技有限公司