应用于地震物理模拟技术中的空气耦合超声换能器的研究

摘要

近些年来，空气耦合超声技术由于其无损性、高适应性和快速等特点已广泛应用于特定情况下的材料检测中。在地震物理模拟技术中，空气耦合超声技术不仅对地质模型的起伏表面有很好的适应性和更快的扫查速度，而且若采用聚焦式空气探头能更好的模拟实际情况。
　　针对地震物理模拟技术的需求，本论文对这种空气耦合超声换能器进行了系统分析和研究。这里的空气耦合超声换能器要求在脉冲激励下兼有高灵敏度和宽带的特性。由于压电元件和空气的声阻抗之间存在巨大差异，因此需要着重对换能器的声学匹配进行研究。本论文中采用双层匹配层来增加换能器的带宽，并利用低声阻抗的圆片膜来缓解换能器和空气声阻抗之间的巨大差异以提高换能器的灵敏度。本论文中测得圆片膜的声阻抗低于0.3Mrayl且匹配频率在250kHz到1MHz之间。结果表明圆片膜非常适合作为空气耦合超声换能器的匹配层材料。
　　进一步研究了脉冲激励情况下圆片膜与换能器之间的匹配问题以及采用圆片膜作为匹配层的换能器性能，其双程插入损耗为30dB，带宽约为10％。对比了1-3压电复合材料和PMNT压电单晶对空气耦合超声换能器性能的影响，综合考虑可知1-3型压电复合材料更适合作为空气耦合超声换能器的压电元件。在背衬的选择上空气背衬可以满足实际的需求。最后采用一层介质层来简化代替地质模型，研制的空气耦合超声换能器在透射和反射情况下均能发出足够强度且可被接收到的超声信号。因此研制的空气耦合超声换能器能基本满足地震物理模拟技术的需求。
　　上述研究成果对于实现空气耦合超声在地震物理模拟技术中的应用有非常重要的理论意义和工程应用价值。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 超声检测技术概述

1.2 空气超声换能器的发展和研究现状

1.3 选题的背景与意义

第二章 超声和空气超声换能器的理论和原理

2.1 超声的基本理论

2.2 空气对超声波的影响

2.3 压电超声换能器的理论和原理

第三章 空气耦合超声换能器的设计

3.1 应用于地质模拟中的空气耦合超声换能器的要求

3.2 空气耦合超声换能器的材料选择

3.3 圆片膜声学性能测量

3.4 匹配层和背衬对超声换能器的影响

3.5 结论

第四章 空气耦合超声换能器的性能分析

4.1 引言

4.2 圆片膜对换能器的影响

4.3 压电元件和背衬对空气耦合换能器的影响

4.4 激励信号对空气耦合超声换能器的影响

4.5 空气耦合超声换能器用于地震物理模拟实验

4.6 结论

第五章 总结与展望

5.1 本论文工作总结

5.2 下一步工作建议与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文