毕业设计(论文)--压电超声换能器的声阻抗梯度材料.docx

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毕业论文

题目压电超声换能器的声阻抗梯度材料

设计与制备

学院材料科学与工程学院

专业材料科学与工程

班级材料1213班

学生******

学号**

指导教师**

二〇一六年五月三十一日

摘要

能实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置称为换能器，也称有源传感器。

换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。

本文主要讲述的是压电超声换能器得的一些主要特性。

雅典超声换能器的主要材料是压电陶瓷，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。

压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力。

在本文中分别以铝粉，铁粉，钨粉为填料，环氧树脂和胺固化剂为基质制备几种不同的声阻抗匹配层的复合材料，匹配层是超声换能器的重要组成部分，能够实现声阻抗的匹配或者过渡。

匹配层样品的种类会影响该换能器的声阻抗变化，通过研究，升阻抗是随着填料密度的不同而变化的，通过测试可知声阻抗与密度是成正比的

关键词：

超声换能器；匹配层；梯度材料；声阻抗

ABSTRACT

Toachieveelectrical,mechanical,orsonicenergyconversionfromoneformofenergytoanotherformofapparatuscalledatransducer,alsoknownastheactivesensor,Transducerultrasoundequipmentisthecoreofthedevice,anditsparametersdeterminetheperformanceoftheentireapparatus.Thisarticleisaboutsomeofthemaincharacteristicsofthepiezoelectricultrasonictransducerobtained.Athensultrasonictransducerisapiezoelectricceramicmaterialmainlypiezoelectricceramicisamechanicalandelectricalenergycanbeconvertedtoeachotherinformationonfunctionalceramicmaterials-piezoelectriceffect,inadditiontoapiezoelectricceramicpiezoelectricproperties,butalsohasadielectric,elasticity,etc.,havebeenwidelyusedinmedicalimaging,acousticsensors,transducers,ultrasonicmotors,etc.Usingitspiezoelectricceramicmaterialsundermechanicalstress,causinginternaldisplacementrelativetothecenterofpositiveandnegativechargepolarizationoccurredatbothendsofthesurfacematerialappearsoppositeinsigntothechargethatisboundtoprepareapiezoelectriceffect,havesensitivecharacteristics,piezoelectricceramicsaremainlyusedinthemanufactureofultrasonictransducers,acoustictransducers,electro-acoustictransducer,ceramicfilters,ceramictransformer,ceramicfrequency,highvoltagegenerator,infrareddetectors,surfaceacousticwavedevices,electro-opticaldevice,ignitiondetonationdevicesandpiezoelectricgyro,etc.,exceptforthehigh-techfield,itismoreineverydaylifeforthepeople,forpeopletocreateabetterlifeandwork.Hereinrespectivelyaluminum,iron,tungstenpowderasfiller,epoxyresinandaminecuringagentisamatrixcompositespreparedbyseveraldifferentacousticimpedancematchinglayer,thematchinglayerisanimportantpartoftheultrasonictransducer,matchingtransitioncanberealizedortheacousticimpedance.Specieswillaffectthematchinglayersampleofthetransduceracousticimpedancechangethroughresearch,upimpedancewithdifferentpackingdensityvariesbytestshowsthatacousticimpedanceisproportionaltothedensity.

Keywordsultrasonictransduceracousticimpedancematchinglayer

目录

摘要

ABSTRACT

1前言

1.1课题的研究背景

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

1.2.3超声换能器对匹配层的要求

1.3国内外的研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4本文选题的意义

2匹配层的制备与声学特性研究

2.1声匹配层样品的制备

2.1.1原材料与仪器设备

2.1.2匹配层制备样品的过程

2.2匹配层样品特征

2.2.1匹配层样品厚度

2.2.2匹配层样品断面形貌

2.3声匹配层样品密度的测定与分析

2.3.1匹配层样品密度的测定方法

2.3.2匹配层密度分析

2.4匹配层声速的测定与分析

2.4.1匹配层样品声速的测试方法

2.4.2匹配层样品声速测试结果

2.4.3匹配层样品声速分析

2.5匹配层样品的声阻抗的测定与分析

2.5.1匹配层样品声阻抗的测定方法

2.5.2匹配层样品声阻抗分析

2.6匹配层样品测试结果分析

2.6.1填料种类对匹配层的影响

2.6.2样品厚度对匹配层的影响

3结论

参考文献

致谢

1前言

1.1课题的研究背景

1.1.1超声换能器的概述

超声换能器根据声波产生原理主要分为磁致伸缩换能器和压电换能器，超声波换能器的应用十分广泛,它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。

按实现的功能分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、气体、生物体等;按性质分为功率超声波、检测超声波、超声波成像等。

本文主要研究压电超声换能器。

超声换能器是一种将电信号和声信号相互转化的装置。

超声换能器也被广泛地应用于医学河水中探测等方面。

压电陶瓷变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。

其输入部分用正弦电压信号驱动,通过逆压电效应使其产生振动,振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分,输出部分再通过正压电效应产生电荷,实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换,在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。

与电磁变压器相比,这具有体积小,质量轻,功率密度高,效率高,耐击穿,耐高温,不怕燃烧,无电磁干扰和电磁噪声,且结构简单、便于制作、易批量生产,在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。

此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等

医学用的超声探头也被称为超声换能器，这也是医学超声成像系统中最重要的部件.超声换能器在医学中也是起信息转换作用，用来完成电学，声学，电学信号的转换。

法国物理学家距局里兄弟发现压电效应开启了超声换能器的研究，并在第一第二次世界大战中用来检测海底物体。

压电超声换能器作为一种互换能量的器件作用是将电信号和声信号互相转换，

1.1.2压电效应

压电材料是压电换能器的关键部分，应用较多的压电材料主要分五大类。

（1）压电单晶体

（2）压电陶瓷

（3）压电高分子聚合物

（4）压电复合材料材料

（5）压电半导体

1.1.3压电材料及压电复合材料

压电复合材料是指至少由一种压电相材料与非压电相材料按一定连通方式组合而构成的具有压电效应的材料，并且集中了各个组成材料的特性，得到了广泛的研究和应用。

压电复合材料也具有很多优点：

声阻抗小，介于聚合物向和雅典相之间，机电耦合系数高，相对柔软，易于做成各种形状机械品质因数低，侧向耦合弱，能量更集中于厚度振动。

1.2超声换能器匹配

超声换能器主要包括以下几个部分，外壳，匹配层，压电陶瓷圆盘换能器，背衬，引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。

主要部件为声学匹配层，背衬和压电材料。

其中压电陶瓷换能器用的是厚度方向极化的PZT-5压电材料。

Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。

本文主要讨论的是匹配层材料的制备和设计研究。

1.2.1超声换能器的结构

超声换能器主要包括以下几个部分，外壳，匹配层，压电陶瓷圆盘换能器，背衬，引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。

主要部件为声学匹配层，背衬和压电材料。

其