超音波压电换能器多层匹配结构之研析-台湾声学学会.docVIP

超音波壓電換能器多層匹配結構之研析 宋家驥1、朱雅雯2 1台灣大學工程科學及海洋工程學系 教授 2台灣大學工程科學及海洋工程學系 碩士 台灣大學工程科學及海洋工程學系 106台北市大安區舟山路73號台灣大學工程科學及海洋工程學系 電話：02-3366-5769 E-mail：ccsung@ntu.edu.tw , ntu.edu.tw 摘要 在日新月異的生活中，超音波的應用已不可或缺，本文重點在探討超音波壓電換能器配置多層匹配層，其壓電片聲阻抗與聲傳介質聲阻抗匹配之設計概念。本文首先說明超音波壓電換能器之各層結構材料，並藉由傳輸線原理，將匹配層等效為傳輸線，在最平坦化頻率響應條件下推導出於n層匹配層中，每一層匹配層的阻抗值，並得到匹配層越多層則使頻寬越寬之特性。再經由壓電片波傳方程式，推導出壓電換能器之阻抗矩陣，並針對其阻抗矩陣之架構，利用聲波能量傳遞的觀念來分析換能器內部結構，進而提出一套傳輸矩陣法，用以模擬壓電換能器多層匹配層結構的數值模型。以傳輸矩陣之方式來模擬換能器，可得到換能器機械端輸出阻抗頻率響應圖其與聲傳介質阻抗匹配，故可用於設計換能器之參考標準。本論文成功地藉由傳輸矩陣法模擬出壓電換能器多層匹配層結構的理論架構及數值計算。 關鍵字：超音波壓電換能器、匹配層、聲阻抗、傳輸線、最平坦化頻率響應、阻抗矩陣、傳輸矩陣法 Abstract In recent years, the study of ultrasonic waves has found indispensable applications in the real world. In this paper, we present the acoustic impedance matching result of the piezoelectric thin plate and the propagation medium when we increase the number of matching layers. By extending the theory of transmission line, we find the impedances of the matching layer for the transducer and find the impedances of each layer in conjunction with the maximally flat-top response. An impedance matrix for the piezoelectric transducer can be derived from the piezoelectric wave equation which is called as the transmission matrix method. Using the transmission matrix method we obtain the mechanical impedances of frequency response for the ultrasonic piezoelectric transducer. Finally, the simulation results of the multilayer matching structure of the piezoelectric transducer which can be helpful for designing the ultrasonic piezoelectric transducer are shown. 前言 在超音波換能器發射及接收上，因為壓電片、空氣的聲阻分別為30Mrayls、430rayls，兩者聲阻相差甚大而造成壓電片與聲傳介質的聲阻抗匹配不良，因此入射聲波的能量將有部分被反射折回，僅部分能量得以穿透邊界進入探測物，此時若在聲波發射端面上配置一層或多層匹配層的配置，使得壓電片與空氣的聲阻能匹配，則電能可更有效率地轉換成聲能，獲得性能良好的探頭。 2002年，Minoru Toda設計兩種不同結構配置之超音波空氣耦合換能器的匹配結構，藉著調整空氣空間的大小，以使換能器與聲傳介質空氣介質的阻抗匹配[1]。同年，Tadeusz Gudra等人分析空氣超音波換能器多層聲學系統的聲學阻抗對轉換函數的影響，選擇一層、兩層或三層匹配層，模擬壓電陶瓷換能器加上匹配層後的聲阻抗之轉換函數，觀察轉換函數圖形選擇適當的匹配阻抗值，以達到最佳的轉換函數波形[2]。 Tomas E. Gomez等人針對頻率在兆赫範圍下，空氣耦合壓電換能器匹配層之矽石凝膠薄層的製