压电超声换能器匹配层的数值分析研究

匡泓锦　郭永强　杜斌

【摘 要】压电超声换能器是一种能量转换器件，可将电声信号互相转换，匹配层作为超声导波换能器的重要组成部分，能实现声阻抗匹配或过渡，使压电晶片与被测物体之间的声强透射率大幅度提高，匹配层的声阻抗应该在压电晶片与被测物体的声阻抗之间。本文利用数值分析的方法，分析了两种不同材料的匹配层在不同频率下对声强透射率的影响，为换能器的匹配层设计提供了一定的理论基础。

【关键词】超声导波；压电晶片；换能器；匹配层

0 引言

研究表明，仅有好的发声材料还不能保证一定能制备出高性能的超声导波换能器，因为压电材料和被测物体之间的声阻抗失配将使得声能无法有效传递[1]。以水听器为例，当没有匹配层耦合时，压电式传感器中压电陶瓷片的声阻抗约为33.7×106Pa·s/m，水的声阻抗为1.51×106Pa·s/m，其声强透射率仅为0.16。通过合理的匹配层，可以使压电晶体和被测物体之间的声强透射率得到大幅度的提高，实现声阻抗匹配或过渡，使得灵敏度提高，失真减小。一般在超声成像，超声检测及超声探伤等一些小信号场合应用超声换能器的声学匹配，在超声匹配过程中，起到声阻抗匹配或过渡作用的材料主要是匹配层材料。合适的匹配层可以使超声换能器的灵敏度和能量传输效率提高，选择合适的匹配层材料对换能器而言至关重要[2]。因此，本文分析不同材料作为匹配层对声强透射率的影响，为压电式换能器的设计提供一定的参考。

1 匹配层的设计原理

1.1 匹配层设计的声学基础

超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称为反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称为透射波。在界面上声能的分配和传播方向的变化都遵循一定的规律。

当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波，如式1所示。Z1为第一种介质声阻抗，Z2为第第二种介质声阻抗，P0为入射声强，Pt为透射声强，Pr为反射声强。

则由第一介质到第二介质的声强透射率公式为：

式中Z1为第一种介质声阻抗，Z2为第第二种介质声阻抗，很显然，介质的声阻抗对于声波的透射是非常重要的[5]。

对于Z1≠Z2≠Z3，即非均匀介质中的薄层，比如压电片—匹配层—待测件。其声强透射率为：

式（2）中，Z1、Z2和Z3分别是压电材料、匹配层和负载的声阻抗，d2为匹配层厚度，λ2为声波在匹配层中的波长。

1.2 匹配层的设计要求

本文使用的壓电材料为PZT-5，声阻抗为检测件为钢管，两者的声阻抗差别不大，不设计匹配层，直接接触检测时，由上式（1）计算得声强透射率T=0.97。声强透射率很大，理论上不需要进行匹配层设计就能保证较高的声强透射率，考虑到压电晶片需要匹配层来避免外界机械损害及腐蚀。因此需要选择合适的材料作为匹配层来对压电晶片起到保护作用，同时不能降低压电元件与碳钢管道间的声强透射率，匹配层的选择要求其声阻抗介于检测件和压电陶瓷片的声阻抗之间，因此可选择304不锈钢和刚玉作为匹配层材料。

2 匹配层不同材料的数值分析

为了表示声强透射率随不同频率，不同厚度匹配层变化的规律，本文式（2）改写为式（3）：

式中，C2表示匹配层中声波的波速，f2表示检测频率。

对于超声导波管道检测而言，检测频率通常在20kHz-200kHz之间。本文中检测管道为碳钢管道，传感器中压电晶片为PZT-5压电陶瓷片。此情况下，如图3为304不锈钢作为匹配层时，不同频率f所对应声强透射率随匹配层厚度变化的曲线图，如图3为刚玉作为匹配层时，不同频率所对应声强透射率随匹配层厚度的变化曲线图。

由图1可知，当运用304不锈钢作为匹配层时，频率和匹配层厚度的变化对声强透射率的影响很小，声强透射率一直保持在0.97以上。由图2可知，当运用刚玉作为匹配层时，频率和匹配层厚度的变化对声强透射率的影响比较大，其变化范围在0-0.98之间。

运用L（0，2）模态超声导波进行检测时，需要以扫频的方式确定最佳激励频率，因此希望频率的变化对匹配层的声强透射率影响较小。由此可知，304不锈钢为匹配层材料的较佳选择。

3 结束语本文分析了匹配层的设计要求，通过数值分析的方法分析了不同的匹配层材料在不同频率和厚度下对声强透射率的影响，发现在匹配层选用304不锈钢片时，频率和匹配层厚度的变化对声强透射率的影响较小。对超声导波换能器的匹配层的设计提供了一定的理论基础。

【参考文献】

[1]杜功焕，朱哲民，等.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001：182-189.

[2]冯若，等.超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999：22-23.endprint