换能器优化设计与实验

燕山大学
本科毕业设计（论文）开题报告
课题名称：超声波换能器优化设计与实验
学院（系）：里仁学院
年级专业：工业自动化仪表2班
学生姓名：**
指导教师：**
完成日期：2013年3月27日
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
（一）本课题研究意义
超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。

最早的超声换能器是P.郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。

这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。

1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。

到了50 年代, 由于电致伸缩材料钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。

目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。

目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。

但是超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 其性能描述与评价需要许多参数。

超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等。

不同用途的换能器对性能参数的要求不同,例如,对于发射型超声换能器,要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率；而对于接收型超声换能器,则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等。

因此，在换能器的具体设计过程中，必须根据具体的应用,对换能器进行性能测试实验与分析，从而进行合理的设计与优化。

（二）国内外研究动态
1、超声压电材料的发展
(1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷是超声换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。

同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。

20世纪70年代美国Newnham 等J开始对复合材料的研究，复合材料是将压电陶瓷和高分子材料按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成，目前研究和应用最广泛的为l-3型压电复合材料，其具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因数和容易成型等特性。

复合材料超声换能器可实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像，其性能明显优于压电陶瓷材料制作的换
能器。

部分谐波成像系统中采用复合材料制作的宽频带换能器，并应用于临床，同时由于复合材料换能器中高分子材料的使用会影响陶瓷的有效面积、声特性阻抗等，以及制作工艺复杂等原因，一维多阵元换能器等仍使用压电陶瓷。

(2)压电单晶换能器：1969年日本No—mura等开始对压电单晶材料的研究，90年代中期压电单品材料由于优异的压电性能得到了研究者的广泛关注，目前压电单晶换能器是继复合材料换能器之后的又一研究热点。

如以铌锌酸铅—钛酸铅(PZNT)和铌镁酸铅—钛酸铅(PMNT)为代表的新型弛豫铁电单晶换能器，其压电系数和机电耦合系数等指标远远高于目前普遍使用的PZT压电陶瓷材料。

用压电单晶材料设计制作的换能器阵，有远远高于压电陶瓷换能器的灵敏度和带宽。

1999年日本东芝公司研制了3.5 MHz PZNT91／9型超声换能器，并获得了很高的分辨率和很强的穿透能力，并应用于临床。

2003年美国南加利福尼亚大学的Cannata等研制了用锂铌酸盐材料(LiNbO3)制作的高频单阵元压电单晶换能器，得到了很好的贯穿深度和图像的信噪比。

但由于单晶体生长工艺远比陶瓷制备工艺复杂，目前还不能生产出价格和压电陶瓷相比的压电单晶，只有很少一部分压电单晶制作的换能器应用于临床。

2、压电超声换能器的最新发展
压电超声换能器当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。

2.1 大功率换能器
在许多场合需要大功率的换能器。

在大功率换能器领域,铌镁酸铅( PMN) 陶瓷是有发展前途的材料。

PMN的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变,迟滞小。

但电致伸缩效应是非线性的, 相应的物理常数取决于温度和频率,且需直流偏压, 这就需要研究如何处理这些问题。

在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器, 在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。

阶梯换能器为在液体中高效地产生高强度的超声辐射提供了一种优化系统。

西班牙J. A. Gallego-Jurez 等人开发了新型阶梯板状换能器, 它具有高的功率容量、效率和指向性。

该换能器用五个圆形阶梯型换能器组成的阵列, 覆盖的照射面积大约 1.64
m×1.64 m, 组成阵列换能器的每个单元的特性: 照射板的直径约为48 cm ; 谐振频率为21 kHz; 指向性( 3 dB 波束宽度) 1. 5°；功率容量为500 W；效率75%。

大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。

2.2 低压驱动换能器
许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。

锆钛酸铅( PZT ) 是广泛应用的电声转化材料。

在20 kHz 时, PZT 在400 kV/ m 的电场中, 在共振条件下产生的振幅要达到微米级,需2000V的电压, 5 mm 厚的压电陶瓷环。

在某些情况下( 航空航天, 便携式装置) , 使用高压是一种缺陷。

此时, 大振幅的超声频率必须用低压驱动。

减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。

因为当场强一定时, 极间距越小, 所需电压也越小。

多层压电陶瓷的薄层厚度30～200 um, 电极的间距等于陶瓷层厚。

所以, 要用相同尺寸的装置得到同样的位移, 多层压电陶瓷的电压就远远小于单层的。

法国B.Dubus等人对多层PZT郎之万换能器的谐振子进行了实验研究。

在低电压下得到了大的振幅( 10V , 5 um)。

发现当换能器连续工作时, 去极化是个严重问题。

可通过对陶瓷片的界面抛光和对换能器加直流偏压解决。

他们用的郎之万换能器, 多层压电陶瓷由20 层陶瓷片组成, 每层厚100 um ,每端加了绝缘陶瓷。

换能器的总高度为38m m,纵向振动频率约13 kHz。

响应的耦合系数等于0. 22。

多层压电陶瓷的界面多, 损失大, 发热严重。

为了减小损失和防止去极化, 装配前对各层结合面进行了抛光, ( 粗糙度Ra= 0.04um, 平面度0.5 mm , 平行度1 um) 。

此外, 叠片只是靠机械预应力保持紧密贴合, 而没做任何粘接。

2.3 高频换能器
频率大于15～20 MHz的B超在医疗上的应用已有十几年了,高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展, 如换能器( 压电材料、灵敏度和聚焦性) ,信号的快速电路和数字化等。

目前利用钛酸铅( PbTiO3) 的厚度伸缩振动的三次谐波模式, 已经制成高达l00 MHz以上的高频压电陶瓷振子。

振子厚度只有70 um ,能与高频石英晶体振子相比, 而最高的超声振子的频率可达1000 MHz。

如用波长表示超声波段的范围, 在液体、固体中最短的超声波长为微米量级, 可以和可见光波的波长相比。

高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。

随着电子技术的发展, 需要越来越大。

国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约10亿只, 而国内仅有极少数几家生产13 MHz 以下器件, 产量约3亿只, 供需矛盾突出, 尤其是13 MHz 以上的器件基本上依靠进口,市场缺口非常大。

随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进, 谐振频率及特性的不断提高,它将越来越广泛地取代石英晶体器件,其应用量将以每年5%～10%的速度递增。

所以研制高频压电陶瓷谐振器产品, 具有极大的推广应用前景, 有良好的市场空间。

2.4 压电薄膜换能器
随着沉积技术、微细加工技术的发展, 压电薄膜制备技术日趋成熟, 它带来了许多优点, 即
( 1) 便于换能器微型化;
( 2) 提高了换能器的频率、带宽和分辨率;
( 3) 便于组成各种聚焦换能器和换能器阵;
( 4) 运用MEMS技术可很方便地将换能器与驱动、控制电路集成在一起。

超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。

因此, 提高超声图像的分辨率已成为超声成像技术研究的方向之一。

最近, 一系列频率范围为20～100 MHz 的超声换能器问世。

压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应, 用于超声成像可获得高分辨率的图像。

用压电薄膜制作的球形聚焦换能器国外已有报道, 频率范围在50～100M Hz,国内现主要是将压电薄膜用于水听器。

刘晓宙等人采用PVDF压电薄膜材料, 设计和制作了PVDF 高频超声聚焦换能器, 获得了满意的结果。

2.5 换能器的微型化
装置的微型化离不开动力元件的微型化, 在动力微元件中, 压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。

压电超声换能器是压电微马达的核心部件。

微型压电超声马达的研究起始于美国,1992 、年麻省理工学院的Ant ia. M . Flynn 等人研制出转子直径约为1.5 mm的薄膜式微型压电超声马达。

随后, 日本Takeshi Morita等成功地研制了PZT压电薄膜圆柱微型
超声马达, 马达定子换能器的外径约为1.4mm, 内径约为1.2 mm, 长度 5 mm。

在该研究中, 开发了“改良的成核工艺”, 成功地改善了沉积P ZT薄膜的性能。

P ZT薄膜的厚度为12 um , d33=- 25 pC/ N。

定子换能器的共振频率为227kHz,在4. 0 V 的驱动电压下振幅58 nm。

转子靠摩擦力驱动并可反转。

最大转速为680 r/ min, 最大转矩0. 67uNm。

2001 年, 我国清华大学的周铁英教授研制成功了世界上最细的超声马达, 直径只有约1 mm ,目前他们正积极开展直径约为0.5 mm 超微马达的研制。

但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻, 目前仍处于实验研究阶段, 离工业化还有一段距离。

2.6 换能器的集成化
集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。

超声马达通常在高于常备电池的交流电压下工作, 这就需升压的变压器。

美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。

超声马达的定子和压电换能器在相同的径向振动模式下工作。

它们的尺寸非常接近, 可产生密切匹配的共振频率。

因此, 它们不用感应线圈而能耦合到一起。

用压电陶瓷制作的超声马达, 需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。

传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成。

而电磁变压器体积大, 并产生电磁噪声, 而用压电变压器则无此缺点。

集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。

除上面所列的方向外, 近年来微细加工的容性超声换能器已成为研究的热点。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
1、完成超声波换能器的结构与材料参数优化设计。

换能器的总长度是固定不变的，但是当电极的厚度发生变化时换能器的共振频率等参数随之变化。

当换能器中厚电极的长度逐渐增大时换能器的共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数随之减小。

由此可以得出结论：尽管采用厚电极可以改善换能器的散热程度避免压电陶瓷片的过热而损坏，但采用厚电极结构不利于提高换能器的有效机电耦合系数，因此在实际制作大功率超声换能器时，应选择适当的电极厚度，以便能够充分兼顾换能器的有效机电耦合系数和散热程度。

2、完成超声波换能器优化仿真。

优化设计，也就是“最优设计”是指采用一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需支出最小。

ANSYS软件的优化设计采用“分析—评估—修正”的循环过程。

就是对初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。

ANSYS 软件有三种优化变量：设计变量、状态变量和目标函数。

设计变量是自变量，也就是换能器的结构尺寸参数。

每个设计变量都有上下限。

状态变量是因变量，指分析结果，也有上下限。

目标函数是要尽量减小的数值，必须是设计变量的函数。

设计变量往往是长度、厚度、直径或模型坐标等几何参数，其个数应尽量减少并且有一个合理的范围，这样可以防止局部收敛和减少迭代次数。

状态变量可以是应力、频率、位移等参量，其上下限不应太小，因为此时合理的设计可能不存在。

目标函数是在设计中要最小化或最大化的数值，在优化过程中应恒为正值。

ANSYS 软件提供了单步运行法、随机搜索法、等步长搜索法、乘子计算法、最优梯度法和一阶算法等几种优化方法，也可以由用户给出优化方法。

3、完成多种频率超声换能器的性能测试实验与分析。

三、研究步骤、方法及措施
1、阅读文献，查阅相关资料,了解超声波换能器的类型及相关结构，学习材料对超声换能器的影响及选择，学习压电陶瓷元件的几何尺寸和位置对超声波换能器的影响。

2、学习ANSYS软件，利用有限元软件进行换能器的优化设计与仿真。

结构优化的一般步骤为：生成分析文件——声明优化变量——优化分析——选择优化方法——察看结果
在优化分析之前，要生成循环所用的分析文件，该文件必须包含整个分析过程，从参数化建立模型，到求解和变量提取。

然后进入优化设计模块声明优化过程中所要用到的设计变量、状态变量和目标函数。

选择一种优化方法进行分析。

最后察看优化结果和后处理结果。

3、对多种频率的超声换能器进行试验并分析。

四、研究工作进度
1—4周：查阅相关学术论文，了解超声换能器的构成及原理。

5—8周：学习ANSYS软件，建立模型。

9—12周：理论分析，结构设计。

13—16周：特性仿真，特性实验。

17—18周：撰写论文，准备答辩。

五、主要参考文献
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六、指导教师意见
指导教师签字：
年月日
七、系级教学单位审核意见：
审查结果：□ 通过□ 完善后通过□ 未通过
负责人签字：
年月日。