毕业论文
题 目 压电超声换能器的声阻抗梯度材料
学 院
专 业 材料科学与工程
班 级 材料1213班
学 生 学 号 **
指导教师
二〇一六年五月三十一日
摘 要
能实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置称为换能器，也称有源传感器。换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。本文主要讲述的是压电超声换能器得的一些主要特性。雅典超声换能器的主要材料是压电陶瓷，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应, 压电陶瓷除具有压电性外, 还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力。在本文中分别以铝粉，铁粉，钨粉为填料，环氧树脂和胺固化剂为基质制备几种不同的声阻抗匹配层的复合材料，匹配层是超声换能器的重要组成部分，能够实现声阻抗的匹配或者过渡。
匹配层样品的种类会影响该换能器的声阻抗变化，通过研究，升阻抗是随着填料密度的不同而变化的，通过测试可知声阻抗与密度是成正比的
关键词：超声换能器；匹配层；梯度材料；声阻抗
ABSTRACT
To achieve electrical, mechanical, or sonic energy conversion from one form of energy to another form of apparatus called a transducer, also known as the active sensor,Transducer ultrasound equipment is the core of the device, and its parameters determine the performance of the entire apparatus.This article is about some of the main characteristics of the piezoelectric ultrasonic transducer obtained.Athens ultrasonic transducer is a piezoelectric ceramic material mainly piezoelectric ceramic is a mechanical and electrical energy can be converted to each other information on functional ceramic materials - piezoelectric effect, in addition to a piezoelectric ceramic piezoelectric properties, but also has a dielectric , elasticity, etc., have been widely used in medical imaging, acoustic sensors, transducers, ultrasonic motors, etc.Using its piezoelectric ceramic materials under mechanical stress, causing internal displacement relative to the center of positive and negative charge polarization occurred at both ends of the surface material appears opposite in sign to the charge that is bound to prepare a piezoelectric effect, have sensitive characteristics, piezoelectric ceramics are mainly used in the manufacture of ultrasonic transducers, acoustic transducers, electro-acoustic transducer, ceramic filters, ceramic transformer, ceramic frequency, high voltage generator, infrared detectors, surface acoustic wave devices, electro-optical device, ignition detonation devices and piezoelectric gyro, etc., except for the high-tech field, it is more in everyday life for the people, for people to create a better life and work.Herein respectively aluminum, iron, tungsten powder as filler, epoxy resin and amine curing agent is a matrix composites prepared by several different acoustic impedance matching layer, the matching layer is an important part of the ultrasonic transducer, matching transition can be realized or the acoustic impedance.Species will affect the matching layer sample of the transducer acoustic impedance change through research, up impedance with different packing density varies by test shows that acoustic impedance is proportional to the density.
Key words ultrasonic transducer acoustic impedance matching layer
目 录
摘 要 ------------------------------------------------------------------------------------------------- I ABSTRACT -------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1前 言 -------------------------------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.1课题的研究背景 --------------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.1.1超声换能器的概述 ------------------------------------------------------------------ 4
1.1.2压电效应 ------------------------------------------------------------------------------ 4
1.1.3压电材料及压电复合材料 --------------------------------------------------------- 4
1.2超声换能器匹配 ----------------------------------------------------------------------------- 5
1.2.1超声换能器的结构 ------------------------------------------------------------------ 5
1.2.2匹配层材料的选择与设计 --------------------------------------------------------- 5
1.2.3超声换能器对匹配层的要求 ---------------------------- 错误！未定义书签。
1.3 国内外的研究现状 ----------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.3.1国外研究现状 ------------------------------------------------------------------------ 6
1.3.2国内研究现状 ---------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.4本文选题的意义 ----------------------------------------------------------------------------- 7 2匹配层的制备与声学特性研究 ---------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.1声匹配层样品的制备 --------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.1.1原材料与仪器设备 ------------------------------------------------------------------ 8
2.1.2匹配层制备样品的过程 ------------------------------------------------------------ 8
2.2匹配层样品特征 --------------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.2.1匹配层样品厚度 ------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.2.2匹配层样品断面形貌 ------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.3 声匹配层样品密度的测定与分析 ----------------------------- 错误！未定义书签。
2.3.1匹配层样品密度的测定方法 ---------------------------- 错误！未定义书签。
2.3.2匹配层密度分析 ------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.4匹配层声速的测定与分析 ---------------------------------------------------------------- 18
2.4.1匹配层样品声速的测试方法 ----------------------------------------------------- 18
2.4.2匹配层样品声速测试结果 -------------------------------------------------------- 19
2.4.3匹配层样品声速分析 ------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.5匹配层样品的声阻抗的测定与分析 ---------------------------------------------------- 27
2.5.1匹配层样品声阻抗的测定方法 -------------------------------------------------- 27
2.5.2匹配层样品声阻抗分析 ----------------------------------------------------------- 30
2.6匹配层样品测试结果分析 ---------------------------------------------------------------- 30
2.6.1填料种类对匹配层的影响 -------------------------------------------------------- 30
2.6.2样品厚度对匹配层的影响 -------------------------------------------------------- 31 3 结 论 -------------------------------------------------------------------------------------------- 33 参 考 文 献 ------------------------------------------------------------------------------------------ 34 致 谢 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 36
1 前言
1.1 课题的研究背景
1.1.1超声换能器的概述
超声换能器根据声波产生原理主要分为磁致伸缩换能器和压电换能器，超声波换能器的应用十分广泛, 它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。按实现的功能分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、气体、生物体等; 按性质分为功率超声波、检测超声波、超声波成像等。本文主要研究压电超声换能器。超声换能器是一种将电信号和声信号相互转化的装置。超声换能器也被广泛地应用于医学河水中探测等方面。压电陶瓷变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动, 通过逆压电效应使其产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷, 实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换, 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小, 质量轻, 功率密度高, 效率高, 耐击穿, 耐高温, 不怕燃烧, 无电磁干扰和电磁噪声, 且结构简单、便于制作、易批量生产, 在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等 医学用的超声探头也被称为超声换能器，这也是医学超声成像系统中最重要的部件. 超声换能器在医学中也是起信息转换作用，用来完成电学，声学，电学信号的转换。法国物理学家距局里兄弟发现压电效应开启了超声换能器的研究，并在第一第二次世界大战中用来检测海底物体。
压电超声换能器作为一种互换能量的器件作用是将电信号和声信号互相转换，
1.1.2压电效应
压电材料是压电换能器的关键部分，应用较多的压电材料主要分五大类。
(1)压电单晶体
(2)压电陶瓷
(3)压电高分子聚合物
(4)压电复合材料材料
(5)压电半导体
1.1.3压电材料及压电复合材料
压电复合材料是指至少由一种压电相材料与非压电相材料按一定连通方式组合而构成的具有压电效应的材料，并且集中了各个组成材料的特性，得到了广泛的研究和应用。压电复合材料也具有很多优点：声阻抗小，介于聚合物向和雅典相之间，机电耦合系数高，相对柔软，易于做成各种形状机械品质因数低，侧向耦合弱，能量更
集中于厚度振动。
1.2超声换能器匹配
超声换能器主要包括以下几个部分，外壳，匹配层，压电陶瓷圆盘换能器，背衬，引出电缆和Cymbal 阵列接收器组成。主要部件为声学匹配层，背衬和压电材料。其中压电陶瓷换能器用的是厚度方向极化的PZT-5压电材料。Cymbal 阵列接收器由8～16只Cymbal 换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本文主要讨论的是匹配层材料的制备和设计研究。
1.2.1超声换能器的结构
超声换能器主要包括以下几个部分，外壳，匹配层，压电陶瓷圆盘换能器，背衬，引出电缆和Cymbal 阵列接收器组成。主要部件为声学匹配层，背衬和压电材料。其中压电陶瓷换能器用的是厚度方向极化的PZT-5压电材料。Cymbal 阵列接收器由8～16只Cymbal 换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本文主要讨论的是匹配层材料的制备和设计研究。
1.2.2匹配层材料的选择与设计
制作匹配层时需要准备好填料和基体，也就是说将选用的材料倒入环氧树脂中，再加入固化剂搅匀。本文中选用的材料为铝粉，铁粉和钨粉。另外匹配层的制作方法分为三种，浇铸法，刮刀法，旋涂法。本文主要讲的是浇注法，用该方法制作的特点是一旦制备好混液将不再能够改变混液的成分。
1.2.3超声换能器对匹配层的要求
从以往的研究中发现，由于压电材料和探测介质之间会存在声阻抗失配，会使声能流无法有效传递，因此要想制备出高性能的压电超声换能器仅有好的发声（压电）材料是远远不够的。以医用换能器为例，如果没有匹配层耦合，传输到人体的声能量只占到总声能的18%左右。通过设计合理的匹配层，可以极大的提高医用超声换能器压电材料跟人体之间的能量透过率，实现声阻抗匹配或过渡，拓宽换能器的频带，灵敏度也会得到提高。超声换能器的声学匹配一般会应用在超声检测、超声成像及超声探伤等一些小信号场合。在超声匹配过程中，匹配层材料主要起到声阻抗匹配或过渡的作用。因为匹配层的性能主要取决于自身的特性阻抗和尺寸，为了进一步地发挥匹配层的作用，通常将匹配层制备成多层结构。人们一直以来都很关注设计和理论计算匹配层。
传统透声(匹配) 材料是金属粉末或陶瓷与环氧树脂组成的0-3型复合材料，厚度为λ/4波长，单层匹配材料的声阻抗等于发声(匹配) 材料和负载介质声阻抗的几何平均值。单层匹配层的压电超声换能器由于制造工艺较为简单且性能优良得到了广泛的应用。但是由于工艺制备的问题，多层阻抗匹配层应用的比较少。理想的单层阻抗匹配层的特性声阻抗为
Z P =Z 0Z 1
式中，Z 0为压电材料的声阻抗，Z 1为负载介质的声阻抗，Z P 为匹配层的声阻抗。理想的双层阻抗匹配层的特性声阻抗为
3Z 1P =Z 0Z 1
Z 2P =Z 0Z 13
式中Z 1P 是第一层匹配层的特性声阻抗，Z 2P 是第二层匹配层的特性声阻抗。以上分析的属于换能器声阻抗匹配的传统理论。我们可以设换能器的纵向和横向尺寸和负载介质分别为无穷大和半无穷大。除此之外，还有很多换能器声阻抗匹配理论，如梅森模型理论，KLM 模型理论，多模式滤波器综合理论，串并联阻抗平等理论，等等。但是我们要做的不仅是通过理论计算实现声阻抗匹配，还需要进行具体的试验来制备出合适的匹配层。
在实际过程中为了实现声阻抗的匹配，我们可以适当的改变匹配层的厚度。因此我们通过工程试验和理论分析得到四分之一波长的匹配层厚度可以实现合适的声阻抗。同时因为匹配层材料的性能直接影响了换能器，因此选择合适的匹配层材料对换能器的性能而言也是至关重要的。在相同的工作频率的条件下，匹配层材料的λ/4值会因声速的越来越大而越来越大，在高频探头中，这会极大的方便匹配层的加工。因此选择声速较大的材料可以较为方便地加工高频换能器的匹配层。因为匹配层是透声层，所以声衰减系数越低，匹配层性能越好。所以在选择材料和确定层数时，不仅要考虑有利的一面，也要考虑声衰减带来的不利影响。
1.3 国内外的研究现状
1.3.1国外研究现状
（1）1880 法国物理学家距局里兄弟发现压电效应开启了超声换能器的研究，并在第一第二次世界大战中用来检测海底物体。
(2)1963年美国首先报道了植制备多孔陶瓷的办法。
(3)1972年 日本研制出了柔性复合材料开启了复合材料历史，压电复合材料也引起了国内的关注并进行了大量的研究。
(4)1978年Skinner 用珊瑚做骨架制成了3-3型PZT 压电陶瓷，但这种工艺因为需要天然的珊瑚作为模板，因此不适合大量生产。
2003年Kaha 制备了孔径分不均匀的3-3型PZT 压电陶瓷，但抗压强度较小难以做原料。
(5) 南加州大学从压电振子的制作工艺和材料多方面入手制作出了高频声带超
声换能器，后来也有人提出了用钨粉和聚氯乙烯做原始材料制作背衬材料。
美国州立大学也发现了一种新型铁电单晶，此单晶的压电性由于普通的压电陶瓷，因此用他来制备了超声换能器。
英国物理实验室用高分子橡胶做原始材料制备了背衬材料。
（6）国内压电陶瓷的匹配层研究主要是从制作材料和制作形状入手的。就是用环氧树脂和钨粉进行混合制作背衬材料，但这种方式制作的样品在声学方面不满足要求。后来吴锦川改变制作材料来改善声阻抗和和声衰减。中国科学院硅酸盐研究所也在压电振子上面取得了突破。
1.4本文选题的意义
本文通过在匹配层的声速和声阻抗声衰减等方面的研究阐述了不同密度匹配层的声学性质规律。自从发现压电效应以来，在社会许多领域压电材料都占有重要的领域，对经济也起着重要的作用。据统计数字表明在医学上诊断工具的换能器全球市场大约10亿美元。
研究内容包目前超声学是声学的一个分支，超声监测和诊断也是现今超声学的应用方向之一
括：
用浇注法制备匹配层样品，用环氧树脂胺类固化剂作为基体，铝粉，铁粉，钨粉，作为填料，研究调料的密度种类对匹配曾样品声学特性的影响。
用声阻抗的变化讨论匹配层的性能
本课题深入研究了样品的密度和填料种类对匹配层样品的制备极其声学特性的影响，阐明了样品密度和种类对样品声学特性的影响
2 匹配层的制备与声学特性研究
2.1 声匹配层样品的制备
2.1.1原材料与仪器设备
(1)A-B灌浆树脂主剂(环氧树脂) 和固化剂
(2 ) 生产的铝粉；
(3) 生产的铁粉；
(4) 生产的钨粉
实验所用仪器：
(1) SYJ-400型CNC 划片切割机；
(2) ZJ-3A型准静态d33测试仪，
(3) 泰克TDS1002B-SC 数字示波器
(4) 泰克tektronix AFG3022B任一波形发生器；
(5) 真空泵；
(6) 分析天平；
(7) QUANTA FEG 250型扫描电子显微镜
(8) KQ-100B型超声波清洗仪，昆山市超声仪器有限公司
(9) MC-710F
2.1.2匹配层制备样品的过程
(1) 制备基体树脂：将环氧树脂与固化剂按照4:1的质量比在塑料杯中混合搅匀成均匀的混合物。
(2) 加入填料：用电子天平取一定质量带的铝粉，将铝粉加入到基体中，为防止铝粉团聚，在搅拌的过程中应该尽量的使铝粉均匀的分布在基体中。
(3) 真空处理：将搅拌好的样品放入真空泵中，进行真空处理，抽走气泡 。
(4) 固化成型：将配置的样品倒入特别制作的模具中，模具事先刷好硅油。然后将样品在常温下静置4小时，每过1小时将模具翻转一次。待7，8个小时之后等完全固化之后将样品从模具之中脱出。
(5) 将固化好的样品放到加热台上，等冷却之后用研磨机将样品表面打磨光滑。
(6) 把打磨好的样品依次用上面同样的方法固定在切割机上，切去多余的部分，并且使样品的长度均匀，保证样品的准确性。
( 7) 切好的样品如图所示。
2.2匹配层样品的特征
2.2.1匹配层样品厚度
本次实验所制的匹配层样品有环氧树脂与铝粉质量比为1:1 ，1:2，1:3，环氧树脂与铁粉质量比为1:1 ，1:2，1:3的，环氧树脂与钨粉质量比为1:1 ，1:2，1:3的以及环氧树脂与铝粉，铁粉，钨粉三种混合粉比为1:1。将每次切割后的样品编号1、2、3、4、5、6，现将样品数据列表2-1，表2-2，表2-3，表2-4。
表2-1 环氧树脂与铝粉质量比1:1 ，1:2，1:3时的厚度与质量
1:1
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:2
质量(g) 26.37 23.43 20.42 17.41 14.32 11.39
1:3 样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
质量(g) 30.01 26.24 22.77 19.33 15.86 12.75
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚
质量(g)
度(mm ) 22.79 20.31 17.67 15.10 12.42 9.71
62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
表2-2 环氧树脂与铁粉质量比1:1、1:2、1:3时的厚度与质量
样品厚度(mm ) 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
1:2
1:3 样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
编号 1 2 3 4 5 6
质量(g)
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
质量(g) 37.05 33.48 29.21 25.08 20.58 16.30
质量(g) 35.94 30.26 24.94 19.77 14.6 9.88
60.2 26.95
24.88 22.42 19.58 16..44 13.14
表2-3 环氧树脂与钨粉质量比1:1、1:2、1:3时的厚度与质量
1:1
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:2
质量(g) 40.01 35.63 30.95 25.48 20.93 16.48
1:3 样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
质量(g) 42.16 36.04 29.84 23.69 17.50 11.85
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚
质量(g)
度(mm ) 23.54 20.34 17.36 14.18 10.98 7.83
62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
表2-3 环氧树脂与三者混和厚度与质量比1:1,1:2,1:3时的厚度与质量
1:1
样品厚度(mm ) 62.20 51.80 41.60 30.40 21.10 9.32
1:2
质量(g) 78.7 69.7 58.2 42.8 27.9 12.1
1:3 样品厚度(mm ) 61.50 51.50 41.78 31.30 19.40 8.20
质量(g) 98.5 83.5 68.1 51.4 32.2 14.0
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚
质量(g)
度(mm ) 77.1 65.8 53.8 41.5 29.0 14.1
61.48 51.38 40.86 29.52 18.70 7.70
2.2.2匹配层样品断面形貌
(a)
(b)
(c)
(d)
质量比为1:1的铝粉、铁粉、钨粉, 三者混合时在同一放大倍数时的SEM 图。
图（a ）中是以铝粉为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。中（b ）是以铁粉为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。图（c ）中是以钨粉为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。图（d ）中是以铝粉，铁粉，钨粉混合为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。从图（a ）（b ）（c ）（d ）中可以看出样品密度结构紧密，填料在环氧树脂集体中的分布都比较均匀。
(e)
(f)
(g)
图2-3 环氧树脂与铁粉在质量比为1:1、1:2、1:3时，且在同一厚度时的SEM 图。
图2-3中，(e)为以铁粉为填料，环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的铝粉质量比为1:1时样品的断面SEM 图。图(f)为以铁粉为填料，环氧树脂和胺类固化剂为基体
制备铁粉质量比为1:2的样品的断面SEM 图。图(g)为以铁粉为填料，环氧树脂 和胺类固化剂为基体制备的钨粉质量比为1:3的样品的断面 SEM 图。所有样品都为同一倍数下所得的图片，从图(e)(f)(g)中可以看出样品结构。从图中可以看出不同质量比的铁粉颗粒在环氧树脂基体中的分布越来越均匀，且密度越来越大，颗粒的分布越来越致密。
2.3 声匹配层样品密度的测定与分析
2.3.1匹配层样品密度的测定方法
为了得到精确的匹配层样品的密度值，本文采用了阿基米德排水法来测量匹配层样品的密度。将电子天平放在支起的柱子上，下面放置一烧杯的去离子水，天平上放置一个横杆，两端用很细的线将待测样品吊起慢慢放入水中，使样品完全浸没在水中，待稳定时记下读数。
图2-4 阿继密度排水法测样品密度装置图
设在空气中测得的样品的质量为m 1，在去离子水中样品的质量为m 2。根据阿基米德排水法来测试样品的密度。
已知浮力公式为
G =ρgV =mg (2-3)
则根据浮力公式可以推导出样品密度的表达式如式为
ρ=
m 1ρ水
(2-4)
m 1-m 2
根据公式2-4和表2-1，表2-2，表2-3内的数据，可以算出以铝粉、铁粉、钨粉为填料，环氧树脂E-51和胺类固化剂为基体制备出的样品在不同厚度时样品运用阿基米德排水法测得的密度结果如表2-4，表2-5，表2-6所示：
表2-4 环氧树脂与铝粉的质量比为1:1、1:2、1:3时的样品在不同厚度时的密度
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5
22.0 11.5
1:1
密度(g /cm ) 2.293 2.366 2.549 2.904 3.420 5.115
3
1:2
样品厚度(mm ) 62.8
52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
密度(g /cm ) 2.544 2.724 2.952 3.306 4.151 6.000
3
1:3
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5
21.9 11.0
密度(g /cm ) 2.942 3.011 3.364 3.603 4.387 7.022
3
编号 1 2 3 4 5 6
表2-5 环氧树脂与铁粉的质量比为1:1、1:2、1:3时的样品在不同厚度时的密度 编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
密度(g /cm ) 2.712 2.898 3.234 3.766 4.527 6.922
3
1:2
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
密度(g /cm ) 2.600 2.893 3.241 3.718 4.765 6.922
3
1:3
样品厚度(mm ) 61.8 52.8
41.0 32.5 21.9 11.0
密度(g /cm ) 3.523 3.472 3.685 3.685 4.039 5.441
3
表2-6 环氧树脂与钨粉的质量比为1:1、1:2、1:3时的样品在不同厚度时的密度 编号 1 2 3
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0
1:1
密度(g /cm ) 2.369 2.369 2.504
3
1:2
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9
密度(g /cm ) 3.860 4.143 4.475
3
1:3
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0
密度(g /cm ) 4.133 4.135 4.409
3
4 5 6
31.5 22.0 11.5
2.727 3.023 4.125
31.9 20.9 11.5
4.839 6.067 8.682
32.5 21.9 11.0
4.416 4.841 6.526
2.3.2匹配层密度分析
以样品厚度为横坐标，填料制成的聚合物样品密度为纵坐标，可得出样品密度随样品厚度变化曲线如图所示：
7
6
5
B
432
A
图2-4 环氧树脂与铝粉不同质量比时的厚度与密度关系
7
6
5
B
432
A
图2-5环氧树脂与铁粉不同质量比时的厚度与密度关系
30
25
20
B
15
10
5
A
图2-6 环氧树脂与钨粉不同质量比时的厚度与密度关系
从图中我们可以看出，对于同一个匹样品配层，当样品的厚度较大的时候，密度较小，随着样品的切割，厚度减小的同时，样品密度越来越大，基本可以看出密度与样品厚度之间是线性变化的。这说明了在制备梯度复合材料的时候，填料颗粒在环氧树脂基体中会受重力作用向下积聚，这就形成了样品上部密度小，下部密度大结构。对于同一种填料，不同质量比的样品，填料越多，密度越大。对于以铁粉为填料，环氧树脂与铁粉质量比为1:1时制得的匹配层样品，在厚度最小的时候，密度有着明显的升高，是因为铁粉的密度比环氧树脂高，且铁粉颗粒的数量比较少，在静置固化的过程中，铁粉大部分都沉降在底部，导致了最后在测最后较小厚度时样品密度明显变大。对于以钨粉为填料，环氧树脂与钨粉质量比为1:1的匹配层样品，密度与样品厚度的关系跟其他样品不同，可能是因为实验过程中，没有将钨粉搅拌均匀或者混入气泡导致的。
2.4匹配层声速的测定与分析
2.4.1匹配层样品声速的测试方法 (1)传统脉冲回波法
现在使用比较广泛的测量声速的方法就是传统的脉冲回波法，脉冲回波法是利用发射探头发射一个宽频带波场。用这种方法测量声速是通过计算在媒质中脉冲声信号的传播时间来进行的。此法直接测量脉冲传播单程(透射法) 所需的时间t ，从而求得声速：
v l /t
（2）传统超声波频谱法
传统超声脉冲回波谱分析法测声速技术，需要发射一次脉冲超声波，将接收到的信号进行谱分析结合材料厚度便能够获得材料声速，当测试样较薄时，谱分析方法相对于传统的声速测量方法更具有优势。 (3)脉冲回波谱分析法
适用于薄固体材料的声速测量，对接收的超声信号要求很低，只要波峰明显递减就可以，不需要每个回波里面各个周期的波符合任何条件，这样它对嗓声很大信号或是薄材料的声速测量就具有很大优势，谱分析法对薄材料的厚度也是有限制的，太薄的材料第一回波会把已后回波的波峰等特征点完全覆盖，没有了波峰递减的趋势，谱分析法不能适用。
本课题采用的是传统脉冲回波法来测声速，实验装置见图2-7
图2-7 泰克TDS1002B-SC 数字示波器和泰克AFG3022B 任一波形发生器
2.4.2匹配层样品声速测试结果
环氧树脂与铝粉质量比为1:1时的波形图
环氧
树脂与铝粉质量比为1:2
时的波形图
环氧树脂与铝粉质量比为1:3时的波形图
环氧树脂与铁粉质量比为1:1
时的波形图
环氧树脂与铁粉质量比为1:2时的波形图
环氧树脂与铁粉质量比为1:3
时的波形图
环氧
树脂与钨粉质量比为1:1时的波形图
环氧树脂与钨粉质量比为1:2
时的波形图
环氧
树脂与铁粉质量比为1:3
时的波形图
环氧树脂与混合填料的波形图
电压 /V
时间/s
电压/V
从图2-11中可以计算出，声波在传感器之间传播的时间为2.24E-06秒，所以声波在匹配层样品中的传播应该减去这个时间. 就是声波在匹配层样品中实际的传播时间.
从其他的波形图可以计算出声波在匹配层样品中的实际传播时间。见下表，计算出了铝粉、铁粉和钨粉为填料，环氧树脂跟胺类固化剂为基体制成的匹配层样品的实际声波传播时间。
以铝粉为填料的匹配层样品声波实际传播时间 编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波实际传播时间(s) 5.0569E-6 2.9879E-6 2.9879E-6 4.0229E-6 4.3719E-6 5.3279E-6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:2
声波实际传播时间(s) 4.0229E-6 4.0229E-6 2.0689E-6 1.6829E-6 5.5709E-6 3.5729E-6
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波实际传播时间(s) 1.5654E-6 2.7162E-6 3.6572E-6 4.6002E-6 3.6162E-6 3.6572E-6
以铁粉为填料的匹配层样品声波实际传播时间
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波实际传播时间(s) 4.0229E-6 2..6609E-6 3.0689E-6 3.6609E-6 3.7729E-6 4.6609E-6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:2
声波实际传播时间(s) 2.7729E-6 3.7729E-6 2.7729E-6 2.8039E-6 4.7709E-6 6.6627E-6
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波实际传播时间(s) 2.71624E-6 5.4326E-6 4.49224E-6 2.71624E-6 3.18624E-6 3.18624E-6
以钨粉为填料的匹配层样品声波实际传播时间
编号 1 2
样品厚度(mm ) 60.2 52.0
1:1
声波实际传播时间(s) 4.0229E-6 2.9879E-6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 1:2
声波实际传
播时间(s) 2.9879E-6 2.6609E-6
样品厚度(mm ) 61.8 52.8
1:3
声波实际传播时间(s) 3.50824E-6 4.49224E-6
3 4 5 6
42.0 31.5 22.0 11.5
2.0689E-6 2.9879E-6 2.9879E-6 4.3699E-6
41.9 31.9
20.9 11.5
3.6629E-6 4.7649E-6 3.3599E-6 2.5729E-6
41.0 32.5 21.9 11.0
3.65724E-6 3.65724E-6 6.000003134
3.50824E-6
声波在以铝粉为填料的匹配层样品中的传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波传播速度(m /s ) 1.19E+04 1.74E+04 1.40E+04 7.83E+04 5.03E+04 2.15E+04
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
1:2
声波传播速度(m /s ) 1.56E+04 1.29E+04 2.02E+04 1.89E+04 3.75E+04 3.21E+04
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波传播速度(m /s ) 2.78E+04 1.94E+04 1.12E+04 7.06E+04 6.05E+04 3.00E+04
声波在以铁粉为填料的匹配层样品中的传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波传播速度(m /s ) 1.49E+04 1.95E+04 1.36E+04 8.60E+04 5.83E+04 2.46E+04
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
1:2
声波传播速度(m /s ) 2.26E+04 1.38E+04 1.51E+04 1.13E+04 4.38E+04 1.72E+04
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波传播速度(m /s ) 2.27E+04 9.71E+04 9.12E+04 1.19E+04 6.87E+04 3.45E+04
声波在以钨粉为填料的匹配层样品中的传播速度
编号
样品厚度(mm )
1:1
声波传播速度(m /s )
样品厚度(mm )
1:2
声波传播速度(m /s )
样品厚度(mm )
1:3
声波传播速度(m /s )
1 2 3 4 5 6
60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1.49E+04 1.74E+04 2.03E+04 1.05E+04 7.36E+04 2.63E+04
62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
2.10E+04 1.95E+04 1.14E+04 6.69E+04 6.22E+04 4.46E+04
61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1.76E+04 1.17E+04 1.12E+04 8.88E+04 3.64E+04 3.13E+04
由表可以看出，对于以铝粉为填料，以环氧树脂与胺类固化剂为基体制备的匹配层样品，在同一厚度时，声波在环氧树脂与铝粉的质量比1:1的样品中的传播速度大于在环氧树脂与铝粉质量比1:2的样品中的传播速度, 都大于环氧树脂与铝粉质量比1:3的，同样的，以铁粉和钨粉为填料制成的匹配层样品的声阻抗也是一样的现象，这说明在同一厚度的同种材料制成的样品中，声波的传播速度与密度大小成反比，密度越大，传播速度越慢。而对于同一种材料的样品在不同厚度时，声速的传播速度基本不受太大的影响。
2.5匹配层样品的声阻抗的测定与分析
2.5.1匹配层样品声阻抗的测定方法
对于声阻抗匹配要求，匹配层介质的声阻抗取值一般在压电陶瓷和空气的阻抗值之间。
在传统理论模型中，将压电材料和工作对象介质均视为半无穷大。设压电材料的声阻抗为Z p ，负载的声阻抗为Z m ，匹配层的声阻抗为Z 。则单层匹配的声阻抗为
Z =Z p Z m (2) 声阻抗率的表达式为：
Z =ρv
声阻抗等于样品的密度与声波在其中的传播速度的乘积
以铝粉为填料制得的匹配层的密度与声波传播速度 编
号 1
1:1
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 60.2
2.293
声波传播速度(m /s ) 1.19E+04
1:2
样品密度 厚度
(g /c m 3)
(mm ) 62.8
2.544
声波传播速度(m /s ) 1.56E+04
1:3
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 61.8
2.942
声波传播速度(m /s ) 2.78E+04
2 3 4 5 6
52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
2.366 2.549 2.904 3.420 5.115
1.74E+04 1.40E+04 7.83E+04 5.03E+04 2.15E+04
52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
2.724 2.952 3.306 4.151 6.000
1.29E+04 2.02E+04 1.89E+04 3.75E+04 3.21E+04
52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
3.011 3.364 3.603 4.387 7.022
1.94E+04 1.12E+04 7.06E+04 6.05E+04 3.00E+04
以铁粉为填料制得的匹配层的密度与声波传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
1:1
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
2.712 2.898 3.234 3.766 4.527 6.922
声波传播速度(m /s ) 1.49E+04 1.95E+04 1.36E+04 8.60E+04 5.83E+04 2.46E+04
1:2
样品密度 厚度
(g /c m 3)
(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
2.600 2.893 3.241 3.718 4.765 6.922
声波传播速度(m /s ) 2.26E+04 1.38E+04 1.51E+04 1.13E+04 4.38E+04 1.72E+04
1:3
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
3.523 3.472 3.685 3.685 4.039 5.441
声波传播速度(m /s ) 2.27E+04 9.71E+04 9.12E+04 1.19E+04 6.87E+04 3.45E+04
以钨粉为填料制得的匹配层的密度与声波传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
1:1
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
2.369 2.369 2.504 2.727 3.023 4.125
声波传播速度(m /s ) 1.49E+04 1.74E+04 2.03E+04 1.05E+04 7.36E+04 2.63E+04
1:2
样品密度 厚度
(g /c m 3)
(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
3.860 4.143 4.475 4.839 6.067 8.682
声波传播速度(m /s ) 2.10E+04 1.95E+04 1.14E+04 6.69E+04 6.22E+04 4.46E+04
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
4.133 4.135 4.409 4.416 4.841 6.526
声波传播速度(m /s ) 1.76E+04 1.17E+04 1.12E+04 8.88E+04 3.64E+04 3.13E+04 1:3
根据公式2-3以及表2-13，表2-14，表2-15，声阻抗为匹配层的密度与声波传播速度的成绩，可以计算出以铝粉、铁粉、钨粉为填料，环氧树脂与胺类固化剂为基体制得的匹配层样品的声阻抗。
以铝粉为填料制得的匹配层样品的声阻抗
编号 1 2 3 4 5 6
1:1
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
声阻抗 (MRayl) 2.72 4.11 3.58 2.27 1.72 1.10
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:2
声阻抗(MRayl) 3.97 3.52 5.97 6.26 1.55 1.93
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声阻抗(MRayl) 8.20 5.85
3.77 2.54 2.65 2.11
以铁粉为填料制得的匹配层样品的声阻抗
1:1
1:2
1:3
编号 样品厚度(mm ) 1 2 3 4 5 6
60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
声阻抗 声阻抗 声阻抗
样品厚度(mm ) 样品厚度(mm )
(MRayl) (MRayl) (MRayl) 4.05 5.66 4.42 3.24 2.63 1.70
62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
以钨粉为填料制得的匹配层样品的声阻抗
5.88 3.99 4.89 4.22 2.08 1.19
61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
8.01 3.37 3.36 4.40 2.77 1.87
1:1 1:2 1:3
编号 样品厚度(mm ) 声阻抗 样品厚度(mm ) 声阻抗 样品厚度(mm ) 声阻抗
1 2 3 4 5 6
60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
3.54 4.12 5.08 2.87 2.22 1.08
62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
8.11 8.11 5.11 3.23 4.10 3.88
61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
7.28 4.86 4.94 3.92 1.76 2.04
2.5.2匹配层样品声阻抗分析
对于同样是以铝粉为填料，环氧树脂与胺类固化剂为基体制成的匹配层样品，在同一厚度时，环氧树脂与铝粉的质量比1：3的声阻抗大于环氧树脂与铝粉质量比1:2,都大于环氧树脂与铝粉质量比1:1的，相同的情况下，以铁粉和钨粉为填料制成的匹配层样品的声阻抗也是一样的规律。可以得出结论，以同一种填料制成的与环氧树脂质量比不同的匹配层样品，在同一厚度下，声阻抗与密度的大小成正比，密度越大，声阻抗越大。而对于同一种填料制成的匹配层样品，厚度的变化对声阻抗变化的影响比较小。
2.6匹配层样品测试结果分析
2.6.1填料种类对匹配层的影响
1:1
编号 1 2 3 4 5 6
铝粉
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
声阻抗 (MRayl) 2.72 4.11 3.58 2.27 1.72 1.10
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:2
铝粉
铁粉
钨粉
铁粉
声阻抗(MRayl) 4.05 5.66 4.42 3.24 2.63 1.70
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
钨粉
声阻抗(MRayl) 3.54 4.12 5.08 2.87
2.22 1.08
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
声阻抗 (MRayl) 5.88 3.99 4.89 4.22 2.08 1.19
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:3
编号 1 2 3 4 5 6
铝粉
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
声阻抗 (MRayl) 8.20 5.85 3.77 2.54 2.65 2.11
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
铁粉
声阻抗(MRayl) 8.01 3.37 3.36 4.40 2.77 1.87
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
钨粉
声阻抗(MRayl) 7.28 4.86 4.94 3.92 1.76 2.04
声阻抗(MRayl) 5.88 3.99 4.89 4.22 2.08 1.19
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
声阻抗(MRayl) 8.11 8.11 5.11 3.23 4.10 3.88
对于环氧树脂与填料同一质量比的情况下，填料的种类对匹配层的声阻抗是有影响的，当环氧树脂与填料质量比为1:1时，可以明显看到在同一厚度下，以铁粉为填料的匹配层的声阻抗是最大的，其次是以铝粉为填料的匹配层，而以钨粉为填料的匹配层的声阻抗是最小的，这就说明了，不同的填料制成的匹配层有着不同的声阻抗，可以不断寻找合适的材料，以使制出的匹配层可以最大程度地提高压电材料与人体组
织之间的声能透过率。
2.6.2样品厚度对匹配层的影响
从表2-19，表2-20，表2-21中，可以看出对于同一种填料制成的匹配层样品，匹配层声阻抗会随着样品厚度的变化而变化，但是变化的幅度比较小，基本都在
1Mrayl 内变化，并且变化也不是呈现规律性的，所以可以认为匹配层厚度的变化对匹配层声阻抗的变化影响较小
3 结 论
本文研究的是超声换能器匹配层的制备和声学特型，选用的填充材料分别是铝粉，铁粉和钨粉，并且使用的是环氧树脂和胺类固化剂为基体制备了10组不同质量比的匹配层样品，通过计算样品密度，声速和声阻抗并且研究其规律。通过观察样品厚度对匹配层样品声学特性的影响，验证了样品的厚度对声阻抗的影响不大。通过研究填料种类对匹配层样品声学特性的影响，得出匹配层在统一厚度下，以铁粉为填料制得的匹配层的声阻抗最大，其次是以铝粉为填料制得的匹配层，以钨粉为填料制得的匹配层的声阻抗最小。本课题制得的匹配层样品声阻抗范围在2-9MRayl ，比近几年研究的匹配层声阻抗范围更宽。本文制备匹配层样品用的是浇注法，并且采用传统脉冲回波法研究匹配层的声学特性，并将测出的样品特性声阻抗进行对比，可得出如下几点结论。
（1）用不同填料制备的匹配层的的样品的密度和声阻抗度的变化情况是相同的。填料的体积分数增加时匹配层样品的密度和声阻抗也是随之增加的，且与体积分数呈线性正比。
（2）用同一种填料制备的匹配层的厚度的变化对声阻抗的影响很小。
参 考 文 献
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致 谢
本论文在徐东宇导师的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度，精益求精的工
作作风，朴实无法平易近人的人格魅力对本人影响深远，使我树立了远大的学习目标，掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处事的道理，本论文从选题到完成，每一步都在导师悉心指导下完成的，倾注了到时大量的心血，在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中遇到了很多问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决，同时也感谢耿波师兄的帮助和指导。
时光匆匆，转眼便是毕业时节，离校日期已日趋渐进，三年寒窗收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读，实践中所培养的思维方式和表达能力，我很庆幸遇到了如此多的良师益友，无论在学习上生活上还是工作上都给予了我无私 的帮助和照顾，感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。
毕业论文
题 目 压电超声换能器的声阻抗梯度材料
学 院
专 业 材料科学与工程
班 级 材料1213班
学 生 学 号 **
指导教师
二〇一六年五月三十一日
摘 要
能实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置称为换能器，也称有源传感器。换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。本文主要讲述的是压电超声换能器得的一些主要特性。雅典超声换能器的主要材料是压电陶瓷，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应, 压电陶瓷除具有压电性外, 还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力。在本文中分别以铝粉，铁粉，钨粉为填料，环氧树脂和胺固化剂为基质制备几种不同的声阻抗匹配层的复合材料，匹配层是超声换能器的重要组成部分，能够实现声阻抗的匹配或者过渡。
匹配层样品的种类会影响该换能器的声阻抗变化，通过研究，升阻抗是随着填料密度的不同而变化的，通过测试可知声阻抗与密度是成正比的
关键词：超声换能器；匹配层；梯度材料；声阻抗
ABSTRACT
To achieve electrical, mechanical, or sonic energy conversion from one form of energy to another form of apparatus called a transducer, also known as the active sensor,Transducer ultrasound equipment is the core of the device, and its parameters determine the performance of the entire apparatus.This article is about some of the main characteristics of the piezoelectric ultrasonic transducer obtained.Athens ultrasonic transducer is a piezoelectric ceramic material mainly piezoelectric ceramic is a mechanical and electrical energy can be converted to each other information on functional ceramic materials - piezoelectric effect, in addition to a piezoelectric ceramic piezoelectric properties, but also has a dielectric , elasticity, etc., have been widely used in medical imaging, acoustic sensors, transducers, ultrasonic motors, etc.Using its piezoelectric ceramic materials under mechanical stress, causing internal displacement relative to the center of positive and negative charge polarization occurred at both ends of the surface material appears opposite in sign to the charge that is bound to prepare a piezoelectric effect, have sensitive characteristics, piezoelectric ceramics are mainly used in the manufacture of ultrasonic transducers, acoustic transducers, electro-acoustic transducer, ceramic filters, ceramic transformer, ceramic frequency, high voltage generator, infrared detectors, surface acoustic wave devices, electro-optical device, ignition detonation devices and piezoelectric gyro, etc., except for the high-tech field, it is more in everyday life for the people, for people to create a better life and work.Herein respectively aluminum, iron, tungsten powder as filler, epoxy resin and amine curing agent is a matrix composites prepared by several different acoustic impedance matching layer, the matching layer is an important part of the ultrasonic transducer, matching transition can be realized or the acoustic impedance.Species will affect the matching layer sample of the transducer acoustic impedance change through research, up impedance with different packing density varies by test shows that acoustic impedance is proportional to the density.
Key words ultrasonic transducer acoustic impedance matching layer
目 录
摘 要 ------------------------------------------------------------------------------------------------- I ABSTRACT -------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1前 言 -------------------------------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.1课题的研究背景 --------------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.1.1超声换能器的概述 ------------------------------------------------------------------ 4
1.1.2压电效应 ------------------------------------------------------------------------------ 4
1.1.3压电材料及压电复合材料 --------------------------------------------------------- 4
1.2超声换能器匹配 ----------------------------------------------------------------------------- 5
1.2.1超声换能器的结构 ------------------------------------------------------------------ 5
1.2.2匹配层材料的选择与设计 --------------------------------------------------------- 5
1.2.3超声换能器对匹配层的要求 ---------------------------- 错误！未定义书签。
1.3 国内外的研究现状 ----------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.3.1国外研究现状 ------------------------------------------------------------------------ 6
1.3.2国内研究现状 ---------------------------------------------- 错误！未定义书签。
1.4本文选题的意义 ----------------------------------------------------------------------------- 7 2匹配层的制备与声学特性研究 ---------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.1声匹配层样品的制备 --------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.1.1原材料与仪器设备 ------------------------------------------------------------------ 8
2.1.2匹配层制备样品的过程 ------------------------------------------------------------ 8
2.2匹配层样品特征 --------------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.2.1匹配层样品厚度 ------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.2.2匹配层样品断面形貌 ------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.3 声匹配层样品密度的测定与分析 ----------------------------- 错误！未定义书签。
2.3.1匹配层样品密度的测定方法 ---------------------------- 错误！未定义书签。
2.3.2匹配层密度分析 ------------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.4匹配层声速的测定与分析 ---------------------------------------------------------------- 18
2.4.1匹配层样品声速的测试方法 ----------------------------------------------------- 18
2.4.2匹配层样品声速测试结果 -------------------------------------------------------- 19
2.4.3匹配层样品声速分析 ------------------------------------- 错误！未定义书签。
2.5匹配层样品的声阻抗的测定与分析 ---------------------------------------------------- 27
2.5.1匹配层样品声阻抗的测定方法 -------------------------------------------------- 27
2.5.2匹配层样品声阻抗分析 ----------------------------------------------------------- 30
2.6匹配层样品测试结果分析 ---------------------------------------------------------------- 30
2.6.1填料种类对匹配层的影响 -------------------------------------------------------- 30
2.6.2样品厚度对匹配层的影响 -------------------------------------------------------- 31 3 结 论 -------------------------------------------------------------------------------------------- 33 参 考 文 献 ------------------------------------------------------------------------------------------ 34 致 谢 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 36
1 前言
1.1 课题的研究背景
1.1.1超声换能器的概述
超声换能器根据声波产生原理主要分为磁致伸缩换能器和压电换能器，超声波换能器的应用十分广泛, 它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。按实现的功能分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、气体、生物体等; 按性质分为功率超声波、检测超声波、超声波成像等。本文主要研究压电超声换能器。超声换能器是一种将电信号和声信号相互转化的装置。超声换能器也被广泛地应用于医学河水中探测等方面。压电陶瓷变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动, 通过逆压电效应使其产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷, 实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换, 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小, 质量轻, 功率密度高, 效率高, 耐击穿, 耐高温, 不怕燃烧, 无电磁干扰和电磁噪声, 且结构简单、便于制作、易批量生产, 在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等 医学用的超声探头也被称为超声换能器，这也是医学超声成像系统中最重要的部件. 超声换能器在医学中也是起信息转换作用，用来完成电学，声学，电学信号的转换。法国物理学家距局里兄弟发现压电效应开启了超声换能器的研究，并在第一第二次世界大战中用来检测海底物体。
压电超声换能器作为一种互换能量的器件作用是将电信号和声信号互相转换，
1.1.2压电效应
压电材料是压电换能器的关键部分，应用较多的压电材料主要分五大类。
(1)压电单晶体
(2)压电陶瓷
(3)压电高分子聚合物
(4)压电复合材料材料
(5)压电半导体
1.1.3压电材料及压电复合材料
压电复合材料是指至少由一种压电相材料与非压电相材料按一定连通方式组合而构成的具有压电效应的材料，并且集中了各个组成材料的特性，得到了广泛的研究和应用。压电复合材料也具有很多优点：声阻抗小，介于聚合物向和雅典相之间，机电耦合系数高，相对柔软，易于做成各种形状机械品质因数低，侧向耦合弱，能量更
集中于厚度振动。
1.2超声换能器匹配
超声换能器主要包括以下几个部分，外壳，匹配层，压电陶瓷圆盘换能器，背衬，引出电缆和Cymbal 阵列接收器组成。主要部件为声学匹配层，背衬和压电材料。其中压电陶瓷换能器用的是厚度方向极化的PZT-5压电材料。Cymbal 阵列接收器由8～16只Cymbal 换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本文主要讨论的是匹配层材料的制备和设计研究。
1.2.1超声换能器的结构
超声换能器主要包括以下几个部分，外壳，匹配层，压电陶瓷圆盘换能器，背衬，引出电缆和Cymbal 阵列接收器组成。主要部件为声学匹配层，背衬和压电材料。其中压电陶瓷换能器用的是厚度方向极化的PZT-5压电材料。Cymbal 阵列接收器由8～16只Cymbal 换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本文主要讨论的是匹配层材料的制备和设计研究。
1.2.2匹配层材料的选择与设计
制作匹配层时需要准备好填料和基体，也就是说将选用的材料倒入环氧树脂中，再加入固化剂搅匀。本文中选用的材料为铝粉，铁粉和钨粉。另外匹配层的制作方法分为三种，浇铸法，刮刀法，旋涂法。本文主要讲的是浇注法，用该方法制作的特点是一旦制备好混液将不再能够改变混液的成分。
1.2.3超声换能器对匹配层的要求
从以往的研究中发现，由于压电材料和探测介质之间会存在声阻抗失配，会使声能流无法有效传递，因此要想制备出高性能的压电超声换能器仅有好的发声（压电）材料是远远不够的。以医用换能器为例，如果没有匹配层耦合，传输到人体的声能量只占到总声能的18%左右。通过设计合理的匹配层，可以极大的提高医用超声换能器压电材料跟人体之间的能量透过率，实现声阻抗匹配或过渡，拓宽换能器的频带，灵敏度也会得到提高。超声换能器的声学匹配一般会应用在超声检测、超声成像及超声探伤等一些小信号场合。在超声匹配过程中，匹配层材料主要起到声阻抗匹配或过渡的作用。因为匹配层的性能主要取决于自身的特性阻抗和尺寸，为了进一步地发挥匹配层的作用，通常将匹配层制备成多层结构。人们一直以来都很关注设计和理论计算匹配层。
传统透声(匹配) 材料是金属粉末或陶瓷与环氧树脂组成的0-3型复合材料，厚度为λ/4波长，单层匹配材料的声阻抗等于发声(匹配) 材料和负载介质声阻抗的几何平均值。单层匹配层的压电超声换能器由于制造工艺较为简单且性能优良得到了广泛的应用。但是由于工艺制备的问题，多层阻抗匹配层应用的比较少。理想的单层阻抗匹配层的特性声阻抗为
Z P =Z 0Z 1
式中，Z 0为压电材料的声阻抗，Z 1为负载介质的声阻抗，Z P 为匹配层的声阻抗。理想的双层阻抗匹配层的特性声阻抗为
3Z 1P =Z 0Z 1
Z 2P =Z 0Z 13
式中Z 1P 是第一层匹配层的特性声阻抗，Z 2P 是第二层匹配层的特性声阻抗。以上分析的属于换能器声阻抗匹配的传统理论。我们可以设换能器的纵向和横向尺寸和负载介质分别为无穷大和半无穷大。除此之外，还有很多换能器声阻抗匹配理论，如梅森模型理论，KLM 模型理论，多模式滤波器综合理论，串并联阻抗平等理论，等等。但是我们要做的不仅是通过理论计算实现声阻抗匹配，还需要进行具体的试验来制备出合适的匹配层。
在实际过程中为了实现声阻抗的匹配，我们可以适当的改变匹配层的厚度。因此我们通过工程试验和理论分析得到四分之一波长的匹配层厚度可以实现合适的声阻抗。同时因为匹配层材料的性能直接影响了换能器，因此选择合适的匹配层材料对换能器的性能而言也是至关重要的。在相同的工作频率的条件下，匹配层材料的λ/4值会因声速的越来越大而越来越大，在高频探头中，这会极大的方便匹配层的加工。因此选择声速较大的材料可以较为方便地加工高频换能器的匹配层。因为匹配层是透声层，所以声衰减系数越低，匹配层性能越好。所以在选择材料和确定层数时，不仅要考虑有利的一面，也要考虑声衰减带来的不利影响。
1.3 国内外的研究现状
1.3.1国外研究现状
（1）1880 法国物理学家距局里兄弟发现压电效应开启了超声换能器的研究，并在第一第二次世界大战中用来检测海底物体。
(2)1963年美国首先报道了植制备多孔陶瓷的办法。
(3)1972年 日本研制出了柔性复合材料开启了复合材料历史，压电复合材料也引起了国内的关注并进行了大量的研究。
(4)1978年Skinner 用珊瑚做骨架制成了3-3型PZT 压电陶瓷，但这种工艺因为需要天然的珊瑚作为模板，因此不适合大量生产。
2003年Kaha 制备了孔径分不均匀的3-3型PZT 压电陶瓷，但抗压强度较小难以做原料。
(5) 南加州大学从压电振子的制作工艺和材料多方面入手制作出了高频声带超
声换能器，后来也有人提出了用钨粉和聚氯乙烯做原始材料制作背衬材料。
美国州立大学也发现了一种新型铁电单晶，此单晶的压电性由于普通的压电陶瓷，因此用他来制备了超声换能器。
英国物理实验室用高分子橡胶做原始材料制备了背衬材料。
（6）国内压电陶瓷的匹配层研究主要是从制作材料和制作形状入手的。就是用环氧树脂和钨粉进行混合制作背衬材料，但这种方式制作的样品在声学方面不满足要求。后来吴锦川改变制作材料来改善声阻抗和和声衰减。中国科学院硅酸盐研究所也在压电振子上面取得了突破。
1.4本文选题的意义
本文通过在匹配层的声速和声阻抗声衰减等方面的研究阐述了不同密度匹配层的声学性质规律。自从发现压电效应以来，在社会许多领域压电材料都占有重要的领域，对经济也起着重要的作用。据统计数字表明在医学上诊断工具的换能器全球市场大约10亿美元。
研究内容包目前超声学是声学的一个分支，超声监测和诊断也是现今超声学的应用方向之一
括：
用浇注法制备匹配层样品，用环氧树脂胺类固化剂作为基体，铝粉，铁粉，钨粉，作为填料，研究调料的密度种类对匹配曾样品声学特性的影响。
用声阻抗的变化讨论匹配层的性能
本课题深入研究了样品的密度和填料种类对匹配层样品的制备极其声学特性的影响，阐明了样品密度和种类对样品声学特性的影响
2 匹配层的制备与声学特性研究
2.1 声匹配层样品的制备
2.1.1原材料与仪器设备
(1)A-B灌浆树脂主剂(环氧树脂) 和固化剂
(2 ) 生产的铝粉；
(3) 生产的铁粉；
(4) 生产的钨粉
实验所用仪器：
(1) SYJ-400型CNC 划片切割机；
(2) ZJ-3A型准静态d33测试仪，
(3) 泰克TDS1002B-SC 数字示波器
(4) 泰克tektronix AFG3022B任一波形发生器；
(5) 真空泵；
(6) 分析天平；
(7) QUANTA FEG 250型扫描电子显微镜
(8) KQ-100B型超声波清洗仪，昆山市超声仪器有限公司
(9) MC-710F
2.1.2匹配层制备样品的过程
(1) 制备基体树脂：将环氧树脂与固化剂按照4:1的质量比在塑料杯中混合搅匀成均匀的混合物。
(2) 加入填料：用电子天平取一定质量带的铝粉，将铝粉加入到基体中，为防止铝粉团聚，在搅拌的过程中应该尽量的使铝粉均匀的分布在基体中。
(3) 真空处理：将搅拌好的样品放入真空泵中，进行真空处理，抽走气泡 。
(4) 固化成型：将配置的样品倒入特别制作的模具中，模具事先刷好硅油。然后将样品在常温下静置4小时，每过1小时将模具翻转一次。待7，8个小时之后等完全固化之后将样品从模具之中脱出。
(5) 将固化好的样品放到加热台上，等冷却之后用研磨机将样品表面打磨光滑。
(6) 把打磨好的样品依次用上面同样的方法固定在切割机上，切去多余的部分，并且使样品的长度均匀，保证样品的准确性。
( 7) 切好的样品如图所示。
2.2匹配层样品的特征
2.2.1匹配层样品厚度
本次实验所制的匹配层样品有环氧树脂与铝粉质量比为1:1 ，1:2，1:3，环氧树脂与铁粉质量比为1:1 ，1:2，1:3的，环氧树脂与钨粉质量比为1:1 ，1:2，1:3的以及环氧树脂与铝粉，铁粉，钨粉三种混合粉比为1:1。将每次切割后的样品编号1、2、3、4、5、6，现将样品数据列表2-1，表2-2，表2-3，表2-4。
表2-1 环氧树脂与铝粉质量比1:1 ，1:2，1:3时的厚度与质量
1:1
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:2
质量(g) 26.37 23.43 20.42 17.41 14.32 11.39
1:3 样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
质量(g) 30.01 26.24 22.77 19.33 15.86 12.75
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚
质量(g)
度(mm ) 22.79 20.31 17.67 15.10 12.42 9.71
62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
表2-2 环氧树脂与铁粉质量比1:1、1:2、1:3时的厚度与质量
样品厚度(mm ) 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
1:2
1:3 样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
编号 1 2 3 4 5 6
质量(g)
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
质量(g) 37.05 33.48 29.21 25.08 20.58 16.30
质量(g) 35.94 30.26 24.94 19.77 14.6 9.88
60.2 26.95
24.88 22.42 19.58 16..44 13.14
表2-3 环氧树脂与钨粉质量比1:1、1:2、1:3时的厚度与质量
1:1
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:2
质量(g) 40.01 35.63 30.95 25.48 20.93 16.48
1:3 样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
质量(g) 42.16 36.04 29.84 23.69 17.50 11.85
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚
质量(g)
度(mm ) 23.54 20.34 17.36 14.18 10.98 7.83
62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
表2-3 环氧树脂与三者混和厚度与质量比1:1,1:2,1:3时的厚度与质量
1:1
样品厚度(mm ) 62.20 51.80 41.60 30.40 21.10 9.32
1:2
质量(g) 78.7 69.7 58.2 42.8 27.9 12.1
1:3 样品厚度(mm ) 61.50 51.50 41.78 31.30 19.40 8.20
质量(g) 98.5 83.5 68.1 51.4 32.2 14.0
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚
质量(g)
度(mm ) 77.1 65.8 53.8 41.5 29.0 14.1
61.48 51.38 40.86 29.52 18.70 7.70
2.2.2匹配层样品断面形貌
(a)
(b)
(c)
(d)
质量比为1:1的铝粉、铁粉、钨粉, 三者混合时在同一放大倍数时的SEM 图。
图（a ）中是以铝粉为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。中（b ）是以铁粉为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。图（c ）中是以钨粉为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。图（d ）中是以铝粉，铁粉，钨粉混合为填料，以环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的质量比为1:1的断面SEM 图。从图（a ）（b ）（c ）（d ）中可以看出样品密度结构紧密，填料在环氧树脂集体中的分布都比较均匀。
(e)
(f)
(g)
图2-3 环氧树脂与铁粉在质量比为1:1、1:2、1:3时，且在同一厚度时的SEM 图。
图2-3中，(e)为以铁粉为填料，环氧树脂和胺类固化剂为基体制备的铝粉质量比为1:1时样品的断面SEM 图。图(f)为以铁粉为填料，环氧树脂和胺类固化剂为基体
制备铁粉质量比为1:2的样品的断面SEM 图。图(g)为以铁粉为填料，环氧树脂 和胺类固化剂为基体制备的钨粉质量比为1:3的样品的断面 SEM 图。所有样品都为同一倍数下所得的图片，从图(e)(f)(g)中可以看出样品结构。从图中可以看出不同质量比的铁粉颗粒在环氧树脂基体中的分布越来越均匀，且密度越来越大，颗粒的分布越来越致密。
2.3 声匹配层样品密度的测定与分析
2.3.1匹配层样品密度的测定方法
为了得到精确的匹配层样品的密度值，本文采用了阿基米德排水法来测量匹配层样品的密度。将电子天平放在支起的柱子上，下面放置一烧杯的去离子水，天平上放置一个横杆，两端用很细的线将待测样品吊起慢慢放入水中，使样品完全浸没在水中，待稳定时记下读数。
图2-4 阿继密度排水法测样品密度装置图
设在空气中测得的样品的质量为m 1，在去离子水中样品的质量为m 2。根据阿基米德排水法来测试样品的密度。
已知浮力公式为
G =ρgV =mg (2-3)
则根据浮力公式可以推导出样品密度的表达式如式为
ρ=
m 1ρ水
(2-4)
m 1-m 2
根据公式2-4和表2-1，表2-2，表2-3内的数据，可以算出以铝粉、铁粉、钨粉为填料，环氧树脂E-51和胺类固化剂为基体制备出的样品在不同厚度时样品运用阿基米德排水法测得的密度结果如表2-4，表2-5，表2-6所示：
表2-4 环氧树脂与铝粉的质量比为1:1、1:2、1:3时的样品在不同厚度时的密度
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5
22.0 11.5
1:1
密度(g /cm ) 2.293 2.366 2.549 2.904 3.420 5.115
3
1:2
样品厚度(mm ) 62.8
52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
密度(g /cm ) 2.544 2.724 2.952 3.306 4.151 6.000
3
1:3
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5
21.9 11.0
密度(g /cm ) 2.942 3.011 3.364 3.603 4.387 7.022
3
编号 1 2 3 4 5 6
表2-5 环氧树脂与铁粉的质量比为1:1、1:2、1:3时的样品在不同厚度时的密度 编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
密度(g /cm ) 2.712 2.898 3.234 3.766 4.527 6.922
3
1:2
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
密度(g /cm ) 2.600 2.893 3.241 3.718 4.765 6.922
3
1:3
样品厚度(mm ) 61.8 52.8
41.0 32.5 21.9 11.0
密度(g /cm ) 3.523 3.472 3.685 3.685 4.039 5.441
3
表2-6 环氧树脂与钨粉的质量比为1:1、1:2、1:3时的样品在不同厚度时的密度 编号 1 2 3
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0
1:1
密度(g /cm ) 2.369 2.369 2.504
3
1:2
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9
密度(g /cm ) 3.860 4.143 4.475
3
1:3
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0
密度(g /cm ) 4.133 4.135 4.409
3
4 5 6
31.5 22.0 11.5
2.727 3.023 4.125
31.9 20.9 11.5
4.839 6.067 8.682
32.5 21.9 11.0
4.416 4.841 6.526
2.3.2匹配层密度分析
以样品厚度为横坐标，填料制成的聚合物样品密度为纵坐标，可得出样品密度随样品厚度变化曲线如图所示：
7
6
5
B
432
A
图2-4 环氧树脂与铝粉不同质量比时的厚度与密度关系
7
6
5
B
432
A
图2-5环氧树脂与铁粉不同质量比时的厚度与密度关系
30
25
20
B
15
10
5
A
图2-6 环氧树脂与钨粉不同质量比时的厚度与密度关系
从图中我们可以看出，对于同一个匹样品配层，当样品的厚度较大的时候，密度较小，随着样品的切割，厚度减小的同时，样品密度越来越大，基本可以看出密度与样品厚度之间是线性变化的。这说明了在制备梯度复合材料的时候，填料颗粒在环氧树脂基体中会受重力作用向下积聚，这就形成了样品上部密度小，下部密度大结构。对于同一种填料，不同质量比的样品，填料越多，密度越大。对于以铁粉为填料，环氧树脂与铁粉质量比为1:1时制得的匹配层样品，在厚度最小的时候，密度有着明显的升高，是因为铁粉的密度比环氧树脂高，且铁粉颗粒的数量比较少，在静置固化的过程中，铁粉大部分都沉降在底部，导致了最后在测最后较小厚度时样品密度明显变大。对于以钨粉为填料，环氧树脂与钨粉质量比为1:1的匹配层样品，密度与样品厚度的关系跟其他样品不同，可能是因为实验过程中，没有将钨粉搅拌均匀或者混入气泡导致的。
2.4匹配层声速的测定与分析
2.4.1匹配层样品声速的测试方法 (1)传统脉冲回波法
现在使用比较广泛的测量声速的方法就是传统的脉冲回波法，脉冲回波法是利用发射探头发射一个宽频带波场。用这种方法测量声速是通过计算在媒质中脉冲声信号的传播时间来进行的。此法直接测量脉冲传播单程(透射法) 所需的时间t ，从而求得声速：
v l /t
（2）传统超声波频谱法
传统超声脉冲回波谱分析法测声速技术，需要发射一次脉冲超声波，将接收到的信号进行谱分析结合材料厚度便能够获得材料声速，当测试样较薄时，谱分析方法相对于传统的声速测量方法更具有优势。 (3)脉冲回波谱分析法
适用于薄固体材料的声速测量，对接收的超声信号要求很低，只要波峰明显递减就可以，不需要每个回波里面各个周期的波符合任何条件，这样它对嗓声很大信号或是薄材料的声速测量就具有很大优势，谱分析法对薄材料的厚度也是有限制的，太薄的材料第一回波会把已后回波的波峰等特征点完全覆盖，没有了波峰递减的趋势，谱分析法不能适用。
本课题采用的是传统脉冲回波法来测声速，实验装置见图2-7
图2-7 泰克TDS1002B-SC 数字示波器和泰克AFG3022B 任一波形发生器
2.4.2匹配层样品声速测试结果
环氧树脂与铝粉质量比为1:1时的波形图
环氧
树脂与铝粉质量比为1:2
时的波形图
环氧树脂与铝粉质量比为1:3时的波形图
环氧树脂与铁粉质量比为1:1
时的波形图
环氧树脂与铁粉质量比为1:2时的波形图
环氧树脂与铁粉质量比为1:3
时的波形图
环氧
树脂与钨粉质量比为1:1时的波形图
环氧树脂与钨粉质量比为1:2
时的波形图
环氧
树脂与铁粉质量比为1:3
时的波形图
环氧树脂与混合填料的波形图
电压 /V
时间/s
电压/V
从图2-11中可以计算出，声波在传感器之间传播的时间为2.24E-06秒，所以声波在匹配层样品中的传播应该减去这个时间. 就是声波在匹配层样品中实际的传播时间.
从其他的波形图可以计算出声波在匹配层样品中的实际传播时间。见下表，计算出了铝粉、铁粉和钨粉为填料，环氧树脂跟胺类固化剂为基体制成的匹配层样品的实际声波传播时间。
以铝粉为填料的匹配层样品声波实际传播时间 编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波实际传播时间(s) 5.0569E-6 2.9879E-6 2.9879E-6 4.0229E-6 4.3719E-6 5.3279E-6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:2
声波实际传播时间(s) 4.0229E-6 4.0229E-6 2.0689E-6 1.6829E-6 5.5709E-6 3.5729E-6
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波实际传播时间(s) 1.5654E-6 2.7162E-6 3.6572E-6 4.6002E-6 3.6162E-6 3.6572E-6
以铁粉为填料的匹配层样品声波实际传播时间
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波实际传播时间(s) 4.0229E-6 2..6609E-6 3.0689E-6 3.6609E-6 3.7729E-6 4.6609E-6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:2
声波实际传播时间(s) 2.7729E-6 3.7729E-6 2.7729E-6 2.8039E-6 4.7709E-6 6.6627E-6
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波实际传播时间(s) 2.71624E-6 5.4326E-6 4.49224E-6 2.71624E-6 3.18624E-6 3.18624E-6
以钨粉为填料的匹配层样品声波实际传播时间
编号 1 2
样品厚度(mm ) 60.2 52.0
1:1
声波实际传播时间(s) 4.0229E-6 2.9879E-6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 1:2
声波实际传
播时间(s) 2.9879E-6 2.6609E-6
样品厚度(mm ) 61.8 52.8
1:3
声波实际传播时间(s) 3.50824E-6 4.49224E-6
3 4 5 6
42.0 31.5 22.0 11.5
2.0689E-6 2.9879E-6 2.9879E-6 4.3699E-6
41.9 31.9
20.9 11.5
3.6629E-6 4.7649E-6 3.3599E-6 2.5729E-6
41.0 32.5 21.9 11.0
3.65724E-6 3.65724E-6 6.000003134
3.50824E-6
声波在以铝粉为填料的匹配层样品中的传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波传播速度(m /s ) 1.19E+04 1.74E+04 1.40E+04 7.83E+04 5.03E+04 2.15E+04
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
1:2
声波传播速度(m /s ) 1.56E+04 1.29E+04 2.02E+04 1.89E+04 3.75E+04 3.21E+04
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波传播速度(m /s ) 2.78E+04 1.94E+04 1.12E+04 7.06E+04 6.05E+04 3.00E+04
声波在以铁粉为填料的匹配层样品中的传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:1
声波传播速度(m /s ) 1.49E+04 1.95E+04 1.36E+04 8.60E+04 5.83E+04 2.46E+04
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
1:2
声波传播速度(m /s ) 2.26E+04 1.38E+04 1.51E+04 1.13E+04 4.38E+04 1.72E+04
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声波传播速度(m /s ) 2.27E+04 9.71E+04 9.12E+04 1.19E+04 6.87E+04 3.45E+04
声波在以钨粉为填料的匹配层样品中的传播速度
编号
样品厚度(mm )
1:1
声波传播速度(m /s )
样品厚度(mm )
1:2
声波传播速度(m /s )
样品厚度(mm )
1:3
声波传播速度(m /s )
1 2 3 4 5 6
60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1.49E+04 1.74E+04 2.03E+04 1.05E+04 7.36E+04 2.63E+04
62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
2.10E+04 1.95E+04 1.14E+04 6.69E+04 6.22E+04 4.46E+04
61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1.76E+04 1.17E+04 1.12E+04 8.88E+04 3.64E+04 3.13E+04
由表可以看出，对于以铝粉为填料，以环氧树脂与胺类固化剂为基体制备的匹配层样品，在同一厚度时，声波在环氧树脂与铝粉的质量比1:1的样品中的传播速度大于在环氧树脂与铝粉质量比1:2的样品中的传播速度, 都大于环氧树脂与铝粉质量比1:3的，同样的，以铁粉和钨粉为填料制成的匹配层样品的声阻抗也是一样的现象，这说明在同一厚度的同种材料制成的样品中，声波的传播速度与密度大小成反比，密度越大，传播速度越慢。而对于同一种材料的样品在不同厚度时，声速的传播速度基本不受太大的影响。
2.5匹配层样品的声阻抗的测定与分析
2.5.1匹配层样品声阻抗的测定方法
对于声阻抗匹配要求，匹配层介质的声阻抗取值一般在压电陶瓷和空气的阻抗值之间。
在传统理论模型中，将压电材料和工作对象介质均视为半无穷大。设压电材料的声阻抗为Z p ，负载的声阻抗为Z m ，匹配层的声阻抗为Z 。则单层匹配的声阻抗为
Z =Z p Z m (2) 声阻抗率的表达式为：
Z =ρv
声阻抗等于样品的密度与声波在其中的传播速度的乘积
以铝粉为填料制得的匹配层的密度与声波传播速度 编
号 1
1:1
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 60.2
2.293
声波传播速度(m /s ) 1.19E+04
1:2
样品密度 厚度
(g /c m 3)
(mm ) 62.8
2.544
声波传播速度(m /s ) 1.56E+04
1:3
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 61.8
2.942
声波传播速度(m /s ) 2.78E+04
2 3 4 5 6
52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
2.366 2.549 2.904 3.420 5.115
1.74E+04 1.40E+04 7.83E+04 5.03E+04 2.15E+04
52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
2.724 2.952 3.306 4.151 6.000
1.29E+04 2.02E+04 1.89E+04 3.75E+04 3.21E+04
52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
3.011 3.364 3.603 4.387 7.022
1.94E+04 1.12E+04 7.06E+04 6.05E+04 3.00E+04
以铁粉为填料制得的匹配层的密度与声波传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
1:1
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
2.712 2.898 3.234 3.766 4.527 6.922
声波传播速度(m /s ) 1.49E+04 1.95E+04 1.36E+04 8.60E+04 5.83E+04 2.46E+04
1:2
样品密度 厚度
(g /c m 3)
(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
2.600 2.893 3.241 3.718 4.765 6.922
声波传播速度(m /s ) 2.26E+04 1.38E+04 1.51E+04 1.13E+04 4.38E+04 1.72E+04
1:3
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
3.523 3.472 3.685 3.685 4.039 5.441
声波传播速度(m /s ) 2.27E+04 9.71E+04 9.12E+04 1.19E+04 6.87E+04 3.45E+04
以钨粉为填料制得的匹配层的密度与声波传播速度
编号 1 2 3 4 5 6
1:1
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
2.369 2.369 2.504 2.727 3.023 4.125
声波传播速度(m /s ) 1.49E+04 1.74E+04 2.03E+04 1.05E+04 7.36E+04 2.63E+04
1:2
样品密度 厚度
(g /c m 3)
(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9 20.9 11.5
3.860 4.143 4.475 4.839 6.067 8.682
声波传播速度(m /s ) 2.10E+04 1.95E+04 1.14E+04 6.69E+04 6.22E+04 4.46E+04
样品密度 厚度
(g /cm 3)
(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
4.133 4.135 4.409 4.416 4.841 6.526
声波传播速度(m /s ) 1.76E+04 1.17E+04 1.12E+04 8.88E+04 3.64E+04 3.13E+04 1:3
根据公式2-3以及表2-13，表2-14，表2-15，声阻抗为匹配层的密度与声波传播速度的成绩，可以计算出以铝粉、铁粉、钨粉为填料，环氧树脂与胺类固化剂为基体制得的匹配层样品的声阻抗。
以铝粉为填料制得的匹配层样品的声阻抗
编号 1 2 3 4 5 6
1:1
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
声阻抗 (MRayl) 2.72 4.11 3.58 2.27 1.72 1.10
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:2
声阻抗(MRayl) 3.97 3.52 5.97 6.26 1.55 1.93
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
1:3
声阻抗(MRayl) 8.20 5.85
3.77 2.54 2.65 2.11
以铁粉为填料制得的匹配层样品的声阻抗
1:1
1:2
1:3
编号 样品厚度(mm ) 1 2 3 4 5 6
60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
声阻抗 声阻抗 声阻抗
样品厚度(mm ) 样品厚度(mm )
(MRayl) (MRayl) (MRayl) 4.05 5.66 4.42 3.24 2.63 1.70
62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
以钨粉为填料制得的匹配层样品的声阻抗
5.88 3.99 4.89 4.22 2.08 1.19
61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
8.01 3.37 3.36 4.40 2.77 1.87
1:1 1:2 1:3
编号 样品厚度(mm ) 声阻抗 样品厚度(mm ) 声阻抗 样品厚度(mm ) 声阻抗
1 2 3 4 5 6
60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
3.54 4.12 5.08 2.87 2.22 1.08
62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
8.11 8.11 5.11 3.23 4.10 3.88
61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
7.28 4.86 4.94 3.92 1.76 2.04
2.5.2匹配层样品声阻抗分析
对于同样是以铝粉为填料，环氧树脂与胺类固化剂为基体制成的匹配层样品，在同一厚度时，环氧树脂与铝粉的质量比1：3的声阻抗大于环氧树脂与铝粉质量比1:2,都大于环氧树脂与铝粉质量比1:1的，相同的情况下，以铁粉和钨粉为填料制成的匹配层样品的声阻抗也是一样的规律。可以得出结论，以同一种填料制成的与环氧树脂质量比不同的匹配层样品，在同一厚度下，声阻抗与密度的大小成正比，密度越大，声阻抗越大。而对于同一种填料制成的匹配层样品，厚度的变化对声阻抗变化的影响比较小。
2.6匹配层样品测试结果分析
2.6.1填料种类对匹配层的影响
1:1
编号 1 2 3 4 5 6
铝粉
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
声阻抗 (MRayl) 2.72 4.11 3.58 2.27 1.72 1.10
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
1:2
铝粉
铁粉
钨粉
铁粉
声阻抗(MRayl) 4.05 5.66 4.42 3.24 2.63 1.70
样品厚度(mm ) 60.2 52.0 42.0 31.5 22.0 11.5
钨粉
声阻抗(MRayl) 3.54 4.12 5.08 2.87
2.22 1.08
编号 1 2 3 4 5 6
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
声阻抗 (MRayl) 5.88 3.99 4.89 4.22 2.08 1.19
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
1:3
编号 1 2 3 4 5 6
铝粉
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
声阻抗 (MRayl) 8.20 5.85 3.77 2.54 2.65 2.11
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
铁粉
声阻抗(MRayl) 8.01 3.37 3.36 4.40 2.77 1.87
样品厚度(mm ) 61.8 52.8 41.0 32.5 21.9 11.0
钨粉
声阻抗(MRayl) 7.28 4.86 4.94 3.92 1.76 2.04
声阻抗(MRayl) 5.88 3.99 4.89 4.22 2.08 1.19
样品厚度(mm ) 62.8 52.1 41.9 31.9
20.9 11.5
声阻抗(MRayl) 8.11 8.11 5.11 3.23 4.10 3.88
对于环氧树脂与填料同一质量比的情况下，填料的种类对匹配层的声阻抗是有影响的，当环氧树脂与填料质量比为1:1时，可以明显看到在同一厚度下，以铁粉为填料的匹配层的声阻抗是最大的，其次是以铝粉为填料的匹配层，而以钨粉为填料的匹配层的声阻抗是最小的，这就说明了，不同的填料制成的匹配层有着不同的声阻抗，可以不断寻找合适的材料，以使制出的匹配层可以最大程度地提高压电材料与人体组
织之间的声能透过率。
2.6.2样品厚度对匹配层的影响
从表2-19，表2-20，表2-21中，可以看出对于同一种填料制成的匹配层样品，匹配层声阻抗会随着样品厚度的变化而变化，但是变化的幅度比较小，基本都在
1Mrayl 内变化，并且变化也不是呈现规律性的，所以可以认为匹配层厚度的变化对匹配层声阻抗的变化影响较小
3 结 论
本文研究的是超声换能器匹配层的制备和声学特型，选用的填充材料分别是铝粉，铁粉和钨粉，并且使用的是环氧树脂和胺类固化剂为基体制备了10组不同质量比的匹配层样品，通过计算样品密度，声速和声阻抗并且研究其规律。通过观察样品厚度对匹配层样品声学特性的影响，验证了样品的厚度对声阻抗的影响不大。通过研究填料种类对匹配层样品声学特性的影响，得出匹配层在统一厚度下，以铁粉为填料制得的匹配层的声阻抗最大，其次是以铝粉为填料制得的匹配层，以钨粉为填料制得的匹配层的声阻抗最小。本课题制得的匹配层样品声阻抗范围在2-9MRayl ，比近几年研究的匹配层声阻抗范围更宽。本文制备匹配层样品用的是浇注法，并且采用传统脉冲回波法研究匹配层的声学特性，并将测出的样品特性声阻抗进行对比，可得出如下几点结论。
（1）用不同填料制备的匹配层的的样品的密度和声阻抗度的变化情况是相同的。填料的体积分数增加时匹配层样品的密度和声阻抗也是随之增加的，且与体积分数呈线性正比。
（2）用同一种填料制备的匹配层的厚度的变化对声阻抗的影响很小。
参 考 文 献
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致 谢
本论文在徐东宇导师的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度，精益求精的工
作作风，朴实无法平易近人的人格魅力对本人影响深远，使我树立了远大的学习目标，掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处事的道理，本论文从选题到完成，每一步都在导师悉心指导下完成的，倾注了到时大量的心血，在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中遇到了很多问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决，同时也感谢耿波师兄的帮助和指导。
时光匆匆，转眼便是毕业时节，离校日期已日趋渐进，三年寒窗收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读，实践中所培养的思维方式和表达能力，我很庆幸遇到了如此多的良师益友，无论在学习上生活上还是工作上都给予了我无私 的帮助和照顾，感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。