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。