一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器

1.本实用新型属于声学装置技术领域，尤其涉及一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器。


背景技术：

2.超声无损检测技术以其安全、检测速度快、设备小型化及对人体和待测材料均无害的特点广泛的应用于各工业领域及高技术产业中。然而在实际应用中，能够激发出满足工业应用要求的声波的声源是超声无损检测技术的基础。因此，研发出能够高效激发超声波的超声换能器是超声无损检测技术得以广泛应用的关键。传统的接触式或者水浸式超声换能器在实践应用中，均需采用一定形式的耦合材料来实现声能量的有效传播，这在一定程度上限制了超声无损检测技术的应用。
3.近年来，空气耦合超声换能器以其完全不接触、无损害的优势解决了传统超声无损检测应用耦合剂限制的问题而逐步引起科研人员的关注。空气耦合超声换能器主要分为静电式结构和压电式结构。静电式结构空气耦合超声换能器的灵敏度较低，使得该类型超声换能器主要用于声信号接收；压电式结构空气耦合超声换能器工艺简单，在较好的匹配条件下可以获得高的灵敏度。虽然压电材料的种类很多，但是目前压电式空气耦合超声换能器主要使用压电陶瓷类材料。但是由于压电陶瓷与空气之间的声阻抗差异较大，因此较难获得合适的匹配材料来实现两者之间声阻抗的匹配。
4.因此，本技术提供一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，以弥补现有空气耦合超声技术的不足。


技术实现要素：

5.实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器。
6.为了解决上述技术问题，一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，沿声有效发射方向依次包括背衬吸声层、第一电极层、声阻抗渐变结构压电振子、第二电极层和匹配结构，所述声阻抗渐变结构压电振子包括压电陶瓷结构和高分子复合材料结构，所述声阻抗渐变结构压电振子沿声有效传播方向的声阻抗系数降低。所述压电陶瓷结构包括多层压电陶瓷层，所述多层压电陶瓷层沿声有效发射方向的连通数减少或者压电陶瓷体积比降低；高分子复合材料结构包括二层以上的高分子复合材料层，所述二层以上的高分子复合材料层沿声有效发射方向的连通数增加或者高分子材料体积比降低，高分子复合材料结构与压电陶瓷结构适配形成压电复合材料。声阻抗渐变结构压电振子用于声信号的产生及接收。其中的高分子材料可以有效抑制横向振动，提高纵向振动的效率。
7.进一步地，所述压电陶瓷结构包括三层压电陶瓷层，沿声有效发射方向依次包括第一压电陶瓷层、连通维度为2的第二压电陶瓷层和连通维度为1的第三压电陶瓷层。
8.进一步地，所述高分子复合材料结构包括二层高分子复合材料层，沿声有效发射
方向依次包括连通维度为2的第一高分子复合材料层和连通维度为3的第二高分子复合材料层；第一高分子复合材料层和第二压电陶瓷层相适配，第二高分子复合材料层和第三压电陶瓷层相适配。
9.进一步地，所述第二压电陶瓷层包括间隔排布的陶瓷方梁，所述第三压电陶瓷层包括陶瓷柱，所述陶瓷柱在陶瓷方梁上间隔排布。
10.进一步地，所述第一高分子复合材料层包括间隔排布的复合材料方梁，所述复合材料方梁填充于相邻的陶瓷方梁之间，所述第二高分子复合材料层填充于相邻的陶瓷柱之间。
11.进一步地，由于压电陶瓷与空气之间声阻抗差异较大，仅使用单层匹配结构无法实现声阻抗的匹配。为进一步提高匹配效果，提高空气耦合超声换能器性能，所述匹配结构包括一层以上的匹配层。
12.进一步地，所述匹配结构沿声有效发射方向依次包括第一匹配层和第二匹配层，第一匹配层和第二匹配层为低声阻抗匹配材料，且第一匹配层声阻抗值高于第二匹配层声阻抗值。
13.进一步地，为了提高空气耦合超声换能器带宽且不影响其灵敏度指标，所述背衬吸声层为轻质背衬。
14.进一步地，所述第一电极层为金属电极或高分子导电材料，所述第二电极层为金属电极或高分子导电材料。
15.进一步地，所述背衬吸声层、第一电极层、声阻抗渐变结构压电振子、第二电极层、第一匹配层和第二匹配层的各层之间通过环氧树脂粘接在一起。
16.本实用新型通过改进空气耦合超声换能器发声部件的结构，采用声阻抗渐变结构压电振子实现空气耦合超声换能器的研发。该类结构有助于在保证压电性能的前提下，有效缩小压电材料与空气之间声阻抗的差异，便于实现声阻抗的匹配，从而优化空气耦合超声换能器的灵敏度指标；并且通过合理优化各层间的厚度，有助于扩展空气耦合超声换能器的灵敏度，提高检测分辨率。
附图说明
17.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
18.图1为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器立体图。
19.图2为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器侧视图(沿y轴)；
20.图3为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器侧视图(沿x轴)；
21.图4为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器俯视图；
22.图5为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器示意图(沿y轴)；
23.图6为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器的声阻抗渐变结构压电振子立体图一；
24.图7为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器的声阻抗渐变结构压电振子立体图二；
25.图8为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器的声阻抗渐变结构压电振子顶层结构俯视图；
26.图9为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器的声阻抗渐变结构压电振子中间层层结构俯视图；
27.图10为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器的声阻抗渐变结构压电振子底层结构俯视图；
28.图11为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器的声阻抗渐变结构压电振子陶瓷柱体示意图(沿y轴)；
29.图12为本技术实施例提供的一种基于压电材料声阻抗渐变结构的空气耦合超声换能器的声阻抗渐变结构压电振子高分子材料示意图(沿y轴)。
具体实施方式
30.下面将结合附图，对本实用新型的实施例进行描述。
31.本技术提供的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的压电式空气耦合超声换能器可以应用于超声无损检测中，特别是航空复合材料及高档奢侈品的超声无损检测。
32.本技术实施例公开一种基于声阻抗渐变结构压电材料的压电式空气耦合超声换能器，该类型压电材料结构有助于在保证压电性能的前提下，更易实现压电陶瓷材料与空气之间声阻抗的匹配，如图1、图2、图3和图5所示，沿声有效发射方向依次包括背衬吸声层1、第一电极层2、声阻抗渐变结构压电振子3、第二电极层4和匹配结构，所述声阻抗渐变结构压电振子3包括压电陶瓷结构31和高分子复合材料结构32，所述声阻抗渐变结构压电振子3沿声有效传播方向的声阻抗系数降低。所述压电陶瓷结构31包括多层压电陶瓷层，所述多层压电陶瓷层沿声有效发射方向的连通数减少或者压电陶瓷体积比降低；高分子复合材料结构32包括二层以上的高分子复合材料层，所述二层以上的高分子复合材料层沿声有效发射方向的连通数增加或者高分子材料体积比降低，高分子复合材料结构32与压电陶瓷结构31适配形成压电复合材料，如图7所示。
33.本实施例中，如图6、图11和图12所示，所述压电陶瓷结构31包括三层压电陶瓷层，沿声有效发射方向依次包括第一压电陶瓷层311(如图10所示)、连通维度为2的第二压电陶瓷层312和连通维度为1的第三压电陶瓷层313。
34.所述高分子复合材料结构32包括二层高分子复合材料层，沿声有效发射方向依次包括连通维度为2的第一高分子复合材料层321和连通维度为3的第二高分子复合材料层322；第一高分子复合材料层321和第二压电陶瓷层312相适配，第二高分子复合材料层322和第三压电陶瓷层313相适配。本实施例中，高分子复合材料结构32可以使用环氧树脂。
35.如图6所示，所述第二压电陶瓷层312包括间隔排布的陶瓷方梁(2-2型压电复合材料陶瓷)，所述第三压电陶瓷层313包括陶瓷柱，所述陶瓷柱在陶瓷方梁上间隔排布(1-3型压电复合材料陶瓷柱)。
36.所述第一高分子复合材料层321包括间隔排布的复合材料方梁(2-2型压电复合材料高分子材料)，如图9所示，所述复合材料方梁填充于相邻的陶瓷方梁之间，如图8所示，所述第二高分子复合材料层322填充于相邻的陶瓷柱之间(第二高分子复合材料层322为1-3型压电复合材料高分子材料)。
37.所述匹配结构包括一层以上的匹配层。
38.本实施例中，所述匹配结构沿声有效发射方向依次包括第一匹配层5和第二匹配层6，如图4所示，第一匹配层5和第二匹配层6为低声阻抗匹配材料，如高分子材料：有机玻璃、空心微珠/环氧树脂复合材料、聚苯乙烯、硅气凝胶等，且第一匹配层5声阻抗值高于第二匹配层6声阻抗值。
39.所述背衬吸声层1为轻质背衬，如双面胶、pcb板及低密度复合材料。
40.所述第一电极层2为金属电极或高分子导电材料，所述第二电极层4为金属电极或高分子导电材料。
41.本实施例中，所述背衬吸声层1、第一电极层2、声阻抗渐变结构压电振子3、第二电极层4、第一匹配层5和第二匹配层6的各层之间通过环氧树脂粘接在一起。
42.本实施例中，所述第一压电陶瓷层311、第二压电陶瓷层312和第三压电陶瓷层313的厚度分别为2.2mm，2.0mm和1.6mm。
43.与整体1-3型压电复合材料制备的空气耦合超声换能器相比，利用本实施例的空气耦合超声换能器，在同等测试条件下，插入损耗改善2.8db，带宽提高34％。
44.本实用新型提供了一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

技术特征：
1.一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，沿声有效发射方向依次包括背衬吸声层(1)、第一电极层(2)、声阻抗渐变结构压电振子(3)、第二电极层(4)和匹配结构，所述声阻抗渐变结构压电振子(3)包括压电陶瓷结构(31)和高分子复合材料结构(32)，所述声阻抗渐变结构压电振子(3)沿声有效传播方向的声阻抗系数降低；所述压电陶瓷结构(31)包括两层以上的压电陶瓷层，所述两层以上的压电陶瓷层沿声有效发射方向的连通数减少或者压电陶瓷体积比降低；高分子复合材料结构(32)包括二层以上的高分子复合材料层，所述二层以上的高分子复合材料层沿声有效发射方向的连通数增加或者高分子材料体积比降低，高分子复合材料结构(32)与压电陶瓷结构(31)适配形成压电复合材料。2.根据权利要求1所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述压电陶瓷结构(31)包括三层压电陶瓷层，沿声有效发射方向依次包括第一压电陶瓷层(311)、连通维度为2的第二压电陶瓷层(312)和连通维度为1的第三压电陶瓷层(313)。3.根据权利要求2所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述高分子复合材料结构(32)包括二层高分子复合材料层，沿声有效发射方向依次包括连通维度为2的第一高分子复合材料层(321)和连通维度为3的第二高分子复合材料层(322)；第一高分子复合材料层(321)和第二压电陶瓷层(312)相适配，第二高分子复合材料层(322)和第三压电陶瓷层(313)相适配。4.根据权利要求3所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述第二压电陶瓷层(312)包括间隔排布的陶瓷方梁，所述第三压电陶瓷层(313)包括陶瓷柱，所述陶瓷柱在陶瓷方梁上间隔排布。5.根据权利要求4所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述第一高分子复合材料层(321)包括间隔排布的复合材料方梁，所述复合材料方梁填充于相邻的陶瓷方梁之间，所述第二高分子复合材料层(322)填充于相邻的陶瓷柱之间。6.根据权利要求5所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述匹配结构包括一层以上的匹配层。7.根据权利要求6所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述匹配结构沿声有效发射方向依次包括第一匹配层(5)和第二匹配层(6)，第一匹配层(5)和第二匹配层(6)为低声阻抗匹配材料，且第一匹配层(5)声阻抗值高于第二匹配层(6)声阻抗值。8.根据权利要求7所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述背衬吸声层(1)为轻质背衬。9.根据权利要求8所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述第一电极层(2)为金属电极或高分子导电材料，所述第二电极层(4)为金属电极或高分子导电材料。10.根据权利要求9所述的一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，其特征在于，所述背衬吸声层(1)、第一电极层(2)、声阻抗渐变结构压电振子(3)、第二电极层(4)、第一匹配层(5)和第二匹配层(6)的各层之间通过环氧树脂粘接在一起。

技术总结
本实用新型公开了一种基于声阻抗渐变结构压电材料的空气耦合超声换能器，沿声有效发射方向依次包括背衬吸声层、第一电极层、声阻抗渐变结构压电振子、第二电极层和匹配结构，声阻抗渐变结构压电振子沿声有效传播方向的声阻抗系数降低，包括压电陶瓷结构和高分子复合材料结构。压电陶瓷结构包括多层压电陶瓷层，沿声有效发射方向的连通数减少或者压电陶瓷体积比降低；高分子复合材料结构包括二层以上的高分子复合材料层，沿声有效发射方向的连通数增加或者高分子材料体积比提高，与压电陶瓷结构适配。该超声换能器结构有助于在保证压电性能的前提下，有效缩小压电材料与空气之间声阻抗的差异，便于实现声阻抗的匹配。便于实现声阻抗的匹配。便于实现声阻抗的匹配。


技术研发人员：郭紫怡 王晓彧 陆智媛 苏皖 鲍聪聪 朱赛杰 刘璎珞
受保护的技术使用者：南京工业职业技术大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/9/3