專利名稱：聲阻抗連續變化的超聲換能器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超聲換能器，特別是涉及一種聲阻抗連續變化的超 聲換能器。
背景技術：
超聲換能器是一種把電信號轉換成聲信號，將其發送到工作介質中去， 然后又將經過工作介質傳播、散射或反射回來的聲信號轉換成電信號的無源、 被動的雙向器件。超聲換能器的性能，是決定相應系統性能的關鍵器件。
如圖1所示，現有技術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，使得高聲學阻抗的壓電層1與低聲學阻抗的工作介質有較 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，高聲學阻抗的壓電層1與低聲學阻抗的工作介質 之間也會存在聲阻抗失配。假定壓電材料的聲阻抗是Z。，工作介質的聲阻抗 是^，第/層匹配層的聲阻抗Z,可表示為
Z, = (Z,."。Z, + 1)7， / = l， 2，……，(i)
當/ = 1時 Zw = Z0 □ Zc
當/ = 時 = Zw+1 □ Zm
其中，iv是匹配層的總層數，7是大于2的有理數字，取決于不同的理論實 驗研究的結果。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)做計算，分別為9.03 MRayl和2.55 MRayl (假定工作介質的聲阻抗為 1.5 MRayl,計算的y取為2)。由此可知，兩層匹配層的超聲換能器，高聲學 阻抗的壓電層與低聲學阻抗的工作介質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為
相應的聲壓反射系數為32.5%;相應的聲強透聲系數為7 = 1-/ = 89%。也就是 說，對于常用兩層匹配層的超聲換能器，將會有10. 5%的聲能量不能發送到 工作介質中。
這種超聲換能器的缺點是
1、 如果采用少量的匹配層，采用一至二層匹配層(這是目前絕大多數超 聲換能器采用的方法)，那么聲學匹配的效果是"臺階"式的，不能完全和工 作介質的聲阻抗匹配。
2、 多層匹配可以改善聲學匹配的效果，但每增加一層匹配層，同時也增 加一層粘結層。這不僅增加了超聲換能器結構上的復雜性，同時也造成了聲 波在粘結層中的多次反射，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 送到工作介質中，這部分能量將在聲透鏡和工作介質的界面以及聲透鏡和第 二匹配層的界面之間產生多次反射，這種多次反射的結果，造成超聲成像系 統中出現明顯的近場亮暗條紋。
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，結構簡單， 使高聲學阻抗的壓電層和低聲學阻抗的工作介質很好地匹配耦合。
為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是 一種聲阻抗連續變化的 超聲換能器，包括依次重疊設置的背襯、壓電層，特點在于，在所述壓電層 和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層由粒 徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分子耦合劑混合固化構成。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層與壓 電層相鄰的表面的聲阻抗值&與壓電層的聲阻抗值相等，所述聲阻抗連續變相鄰的表面的聲阻抗值z,與工作介質的聲阻抗值相等。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，在所述聲阻抗連續變化層與 工作介質之間加入透鏡層，所述聲阻抗連續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，所述聲阻抗連續變化層與透鏡層相鄰的 表面的聲阻抗值z,與透鏡層的聲阻抗值相等。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，在所述背襯與壓電層之間也 設置聲阻抗連續變化層。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層與背 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。
上述聲阻抗連續變化的超聲換能器，其中，所述聲阻抗連續變化層的聲
阻抗沿縱向由高聲阻抗值^向低聲阻抗值z,連續分布。
本實用新型由于采用上述技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的
優點和積極效果
1、 本實用新型聲阻抗連續變化的超聲換能器只需一層阻抗連續變化層就 能使高聲學阻抗的壓電層和低聲學阻抗的工作介質很好地匹配耦合，因此在 壓電層和工作介質之間不必再采用多層結構的匹配層，也不必引入層與層之 間的粘結層，能減少聲波在結構層之間的多次反射，提高聲能量的發射效率， 有效改善超聲成像系統中近場明暗干擾條紋對成像質量的影響。
2、 本實用新型聲阻抗連續變化的超聲換能器只需一層阻抗連續變化層就 能達到很好的聲學匹配效果，使超聲換能器結構中最復雜的材料多層結構大 為簡化。
3、 由于聲阻抗連續變化層的聲阻抗在縱向呈連續分布，將高聲學阻抗Zh 端和低聲學阻抗Z,端直接耦合起來，實現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性能。
4、 本實用新型聲阻抗連續變化的超聲換能器的背襯與壓電層之間，也可 以設置聲阻抗連續變化層，能實現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背襯，不再反射回壓電層。
圖1是現有技術中超聲換能器的結構示意圖。
圖2是本實用新型聲阻抗連續變化的超聲換能器的結構示意圖(壓電層 與聲透鏡層之間設有聲阻抗連續變化層)。
圖3是本實用新型聲阻抗連續變化的超聲換能器的結構示意圖(壓電層 與聲透鏡層之間、壓電層與背村之間都設有聲阻抗連續變化層)。
圖4是聲阻抗連續變化層內部結構截面圖。
具體實施方式
以下參見附圖具體說明本實用新型的較佳實施方式
一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背襯、壓電層， 特點在于，在所述壓電層和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層。
所述聲阻抗連續變化層由粒徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分子 耦合劑混合固化構成。
所述聲阻抗連續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，所述聲阻抗連續變化層與工作介質相鄰的表面的聲阻抗值z,
與工作介質的聲阻抗值相等。 實施例一、
在本實施例中，超聲換能器不直接與工作介質接觸，加入一透鏡層。
參見圖2， 一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背 襯3、壓電層l、聲阻抗連續變化層5和透鏡層4。
所述聲阻抗連續變化層5由粒徑相同、比重不同的聲學材料顆粒與高分 子耦合劑混合固化構成。
粒徑相同、比重不同的聲學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 的聲阻抗連續變化層5中，高聲阻抗材料顆粒位于聲阻抗連續變化層5的下 端，低聲阻抗材料顆粒位于聲阻抗連續變化層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之間設置聲阻抗連續變化層5，只需一層， 就能實現不同聲阻抗之間的聲匹配，使超聲換能器結構中最復雜的材料多層 結構大為簡化，減少了聲波在結構層之間的多次反射，提高了聲能量的發射 效率，有效改善了超聲成像系統中近場明暗干擾條紋對成像質量的影響。
實施例二
參見圖3，實施例二與實施例一的區別在于，在所述背襯3與壓電層1 之間也設置聲阻抗連續變化層，該聲阻抗連續變化層與背襯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，該聲阻抗連續變化層 的聲阻抗沿縱向連續分布，該聲阻抗連續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置聲阻抗連續變化層，能實現背襯 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 部透進背襯，不再反射回壓電層。
權利要求1、一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背襯(3)、壓電層(1)，其特征在于，在所述壓電層(1)和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層(5)。
2、 如權利要求1所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特征在于，所 述聲阻抗連續變化層(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，所述聲阻抗連續變化層(5)與工作介質相鄰的表面 的聲阻抗值Z,與工作介質的聲阻抗值相等。
3、 如權利要求1所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特征在于，在 所述聲阻抗連續變化層(5)與工作介質之間加入透鏡層(4)，所述聲阻抗連 續變化層(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、 如權利要求1或3所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特征在于， 在所述背襯(3)與壓電層(1)之間也設置聲阻抗連續變化層。
5、 如權利要求4所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特征在于，所 述聲阻抗連續變化層與背襯(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、 如權利要求1或5所述的聲阻抗連續變化的超聲換能器，其特征在于， 所述聲阻抗連續變化層的聲阻抗沿縱向由高聲阻抗值^向低聲阻抗值Z,連 續分布。
專利摘要本實用新型涉及一種聲阻抗連續變化的超聲換能器，包括依次重疊設置的背襯、壓電層，在所述壓電層和工作介質之間設有聲阻抗連續變化層。本實用新型聲阻抗連續變化的超聲換能器只需一層聲阻抗連續變化層就能實現不同聲阻抗之間的聲匹配，使超聲換能器的結構大為簡化，而且不存在結構層之間的多次反射，提高了聲能量的發射效率。
文檔編號B06B1/06GK201261009SQ200820151708
公開日2009年6月24日 申請日期2008年8月7日 優先權日2008年8月7日
發明者袁建人 申請人:上海愛培克電子科技有限公司