匹配层压电换能器的制作及其机电性能研究

摘要

压电效应的发现为获得稳定、可控的超声波收发装置提供了方便，极大促进了现代声学的发展。截止到2008年利用压电效应已开发出无损探伤装置、医学超声成像探测系统和水声声纳等声学器件，这些器件广泛地应用于工业生产、民用医疗和国防军事等领域。
　　压电换能器的匹配层技术在近些年得到了飞速发展，逐渐成为研制压电换能器的核心技术。压电换能器辐射端添加的匹配层材料具有匹配负载声阻抗的能力，可以有效拓宽换能器的工作频带，在增加换能器收发信息量，提高超声检测设备分辨率和工作适应能力方面起到了关键作用。
　　本文利用厚度伸缩振动模式压电振子和匹配层压电换能器的机电等效模型，准确计算了振子和换能器的机械共振频率、放大系数、电输入阻抗频谱和纵振运动速度的空间分布，研究了匹配层特性参数变化对压电换能器机电性能的影响。通过引入横向振动和时域有限差分发展了两种改进算法，提高了计算精度。
　　根据压电换能器的等效电路，分析了不同类型换能器电输入阻抗与机械端输入阻抗之间的关系，提出了换能器工作频率的新式选择标准，解决了换能器工作频率选择标准不明确的问题。
　　采用加热熔化分层注射添加原料的方式改进了制备匹配层常用的混合法，成功解决了环氧树脂混合配比控制难和制备匹配层均一性差的问题，定量分析了匹配层特性参数(密度、声速)与原料混合配比之间的关系。制作了匹配层压电换能器，分析了该换能器的电输入阻抗频谱，解释了匹配层拓宽换能器工作频带的工作机理。

目录

匹配层压电换能器的制作及其机电性能研究硕士研究生：孙磊导师：张锐教授申请学位：理学硕士学科、专业：凝聚态物理所在单位：物理系答辩日期：2009 年6 月29 日授予学位单位：哈尔滨工业大学

RESEARCH ON THE PRODUCTION ANDELECTROMACHANICAL PROPERTIES OFPIEZOELETRIC TRANSDUCER WITHMATCHING LAYER

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 压电效应概述

1.1.2 压电材料简介

1.1.3 PZT 压电陶瓷的四类工作模式

1.2 压电超声换能器的发展历史

1.3 压电超声换能器的发展现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 薄片压电振子的机电性能研究

2.1 薄片压电振子的机电等效模型

2.2 压电换能器工作频率的选择标准

2.3 薄片压电振子的电学性能研究

2.4 考虑横向振动对薄片压电振子电学性能数值算法的校正

2.5 薄片压电振子力学性能的研究

2.6 利用FDTD 法研究压电振子纵振运动速度的时空分布

2.7 本章小结

第3章 匹配层压电换能器的制作及其机电性能研究

3.1 匹配层的制备及其定量分析

3.2 匹配层压电换能器的电学性能研究

3.2.1 薄片无源器件的机电等效模型

3.2.2 匹配层压电换能器的电学性能研究

3.3 匹配层压电换能器的力学性能研究

3.4 本章小结

第4章 匹配层特性参数变化对匹配层压电换能器机电性能的影响

4.1 匹配层厚度变化对匹配层压电换能器机电性能的影响

4.2 匹配层面积变化对匹配层压电换能器机电性能的影响

4.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢