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毕业论文 题 目 学 院 专 业 班 级 学 生 学 号 ** 指导教师 二〇一六年月日摘 要 关键词：超声换能器；匹配层；梯度材料；声阻抗 ABSTRACT 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1前 言 3 1.1课题的研究背景 3 1.1.1超声换能器的概述 3 1.1.2压电效应 4 1.1.3压电材料及压电复合材料 5 1.2超声换能器匹配 6 1.2.1超声换能器的结构 6 1.2.2匹配层材料的选择与设计 6 1.2.3 7 1.3 国内外的研究现状 8 1.3.1国外研究现状 8 1.3.2国内研究现状 9 1.4本文选题的意义 10 2匹配层的制备与声学特性研究 11 2.1声匹配层样品的制备 11 2.1.1原材料与仪器设备 11 2.1.2匹配层制备样品的过程 11 2.2匹配层样品特征 12 2.2.1匹配层样品厚度 12 2.2.2匹配层样品断面形貌 13 2.3 声匹配层样品密度的测定与分析 15 2.3.1匹配层样品密度的测定方法 15 2.3.2匹配层密度分析 17 2.4匹配层声速的测定与分析 19 2.4.1匹配层样品声速的测试方法 19 2.4.2匹配层样品声速测试结果 20 2.4.3匹配层样品声速分析 24 2.5匹配层样品的声阻抗的测定与分析 24 2.5.1匹配层样品声阻抗的测定方法 24 2.5.2匹配层样品声阻抗分析 27 2.6匹配层样品测试结果分析 27 2.6.1填料种类对匹配层的影响 27 2.6.2样品厚度对匹配层的影响 29 3 结 论 30 参 考 文 献 31 致 谢 33 1.1.1超声换能器的概述 1.1.2压电效应1.1.3压电材料及压电复合材料 1.2超声换能器匹配 1.2.1超声换能器的结构 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 式中，为压电的声阻抗，为负载介质的声阻抗，为匹配层的声阻抗。理想的双层阻抗匹配层的为 式中Z1P是第一层匹配层的特性声阻抗，Z2P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