一种可调梯度声阻抗匹配层的制作方法

本发明属于超声换能器和声学检测技术领域，具体地说，涉及一种可调梯度声阻抗匹配层。

背景技术：

在超声检测和生物医学超声工程中，高声学阻抗的压电层和低声学阻抗的工作介质之间因阻抗失配会造成大量的声能量损失，严重影响检测精度。

目前，大多采用在阻抗失配介质中加装匹配层的方法来提高声能量透射率。现有的声阻抗匹配层有单层的也有多层的；有填充低密度颗粒的也有采用复杂人工周期结构的。但是，上述声阻抗匹配层一旦制作以后，其阻抗特性就是固定不变的，只能适用于特定的工作条件，无法满足不同的工作条件和环境，造成成本增加，匹配层制作复杂等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种可调梯度声阻抗匹配层，采用外接电路调控匹配层中压电陶瓷的等效声阻抗梯度，该声阻抗匹配层是可调节的，通过改变外接电路的工作情况，可以实时调控匹配层的阻抗梯度；该匹配层适用于多种待匹配的工作介质，可以在宽频范围内显著提高声能透射率，有助于提高声学检测准确度，所使用的材料pzt-4压电陶瓷方便易得，外接分流电路简单，便于调节。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可调梯度声阻抗匹配层，该声阻抗匹配层包括：第一待匹配材料、压电陶瓷层、第二待匹配材料层；该压电陶瓷层安装在第一待匹配材料与第二待匹配材料之间，所述压电陶瓷层包括多个串联连接的压电陶瓷片和对应的外接分流电路；

每个压电陶瓷片独立连接外接分流电路，通过调控外接分流电路，调整每个压电陶瓷片的声阻抗，其声阻抗值呈梯度渐变分布。

作为上述技术方案的改进之一，所述多个压电陶瓷片呈层叠状串联连接，且沿轴向进行极化，每个压电陶瓷片的两端覆盖薄电极。

作为上述技术方案的改进之一，所述外接分流电路包括：电容、电阻、可变电阻、单刀双掷开关、可变电容和运算放大器；

运算放大器的正向输入端分别连接电阻和可变电阻，其中，可变电阻并联在运算放大器的正向输入端和其输出端；电阻和可变电容串联后再并联在运算放大器的正向输入端和反向输入端，单刀双掷开关的一端连接在电阻与可变电容之间，其另一端连接在运算放大器的反向输入端；电容并联在运算放大器的反向输入端和其输出端；

当单刀双掷开关的第一脚连接可变电容，外接分流电路等效为正等效电容；

当单刀双掷开关的第二脚连接运算放大器，形成反馈电路，外接分流电路等效为负等效电容；其中，反馈电路的负反馈的输入端和输出端并联电容，反馈电路的正反馈的输入端和输出端并联可变电阻器，再串联电阻；负反馈的供电端提供负反馈电压，正反馈的供电端提供正反馈电压。

作为上述技术方案的改进之一，所述当单刀双掷开关的第一脚连接可变电容，外接分流电路等效为正等效电容；则压电陶瓷片的正等效声阻抗为：

其中，ρ是压电陶瓷片的密度；v是压电陶瓷片的纵波速度，为轴向弹性柔顺系数；g33为轴向压电电压系数；为轴向介电隔离率；c0为压电陶瓷片的钳定电容；ceff'为正等效电容：

ceff'＝c'

其中，c'为可变电容的电容值。

作为上述技术方案的改进之一，所述当单刀双掷开关的第二脚连接运算放大器，外接分流电路等效为负等效电容；则压电陶瓷片的负等效声阻抗zeff为：

其中，ρ是压电陶瓷片的密度；v是压电陶瓷片的纵波速度，为轴向弹性柔顺系数；g33为轴向压电电压系数；为轴向介电隔离率；c0为压电陶瓷片的钳定电容；ceff为负等效电容：

其中，r1为电阻的阻值；r2为可变电阻的阻值；c为电容的电容值。

作为上述技术方案的改进之一，所述第一待匹配材料与第二待匹配材料是任意两种声阻抗失配的基底材料，且二者之间的声阻抗具有差异。

作为上述技术方案的改进之一，第一待匹配材料为不锈钢圆柱体；第二待匹配材料为有机玻璃圆柱体。

作为上述技术方案的改进之一，所述压电陶瓷片为圆形压电陶瓷片。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的声阻抗匹配层的声阻抗梯度能实时调控，适用于阻抗失配的多种待匹配材料，在30-50khz宽频范围内具有很好的声能量的透射效率，可增强声阻抗匹配层的灵活性和实用性。

附图说明

图1是本发明的一种可调梯度声阻抗匹配层安装在第一待匹配材料和第二待匹配材料之间的结构示意图；

图2是本发明的一种可调梯度声阻抗匹配层中外接分流电路中的等效电容与等效阻抗之间的对应关系的示意图；

图3是本发明的一种可调梯度声阻抗匹配层的外接分流电路的电路结构图，左侧是正电容电路，右侧是等效负电容电路。

附图标号：

1、第一待匹配材料2、声阻抗匹配层

3、第二待匹配材料4、外接分流电路

5、压电陶瓷片6、第一引脚

7第二引脚

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供了一种可调梯度声阻抗匹配层，该声阻抗匹配层的梯度精确可调，可提高声能量的透射率，增强声阻抗匹配层的灵活性和实用性。

如图1所示，该声阻抗匹配层2包括：第一待匹配材料1、压电陶瓷层2、第二待匹配材料3；所述压电陶瓷层2包括多个串联连接的压电陶瓷片5和对应的外接分流电路4；

该压电陶瓷层2安装在第一待匹配材料1与第二待匹配材料3之间，每个压电陶瓷片5独立连接外接分流电路4，通过调控外接分流电路4，调整每个压电陶瓷片5的声阻抗，实现声阻抗匹配层呈梯度渐变分布。

所述多个压电陶瓷片呈层叠状串联连接，且沿轴向进行极化，每个压电陶瓷片的两端覆盖薄电极。

所述压电陶瓷片采用pzt-4型压电陶瓷材料制成。压电陶瓷片的形状可根据第一待匹配材料1与第二待匹配材料3的形状而设置，以更好地与第一待匹配材料1与第二待匹配材料3对接。

在本实施例中，如图1所示，8片压电陶瓷片采用pzt-4型圆形压电陶瓷材料制成，压电陶瓷片的厚度是3mm，直径15mm。其中，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8分别为与对应的压电陶瓷片独立连接的外接分流电路。

如图3所示，所述外接分流电路包括：电容c、电阻r1、可变电阻器r2、单刀双掷开关s1、可变电容c'和运算放大器u1；

运算放大器u1的正向输入端分别连接电阻r1和可变电阻r2，其中，可变电阻r2并联在运算放大器u1的正向输入端和其输出端；电阻r1和可变电容c'串联后再并联在运算放大器u1的正向输入端和反向输入端，单刀双掷开关s1的一端连接在电阻r1与可变电容c'之间，其另一端连接在运算放大器u1的反向输入端；电容c并联在运算放大器u1的反向输入端和其输出端；

单刀双掷开关s1的第一脚6连接可变电容c'，外接分流电路等效为正等效电容；

其中，通过调控正等效电容，调控与外接分流电路独立连接的压电陶瓷片的等效声阻抗，则压电陶瓷片5的正等效声阻抗为：

其中，ρ是压电陶瓷片的密度；v是压电陶瓷片的纵波速度，为轴向弹性柔顺系数；g33为轴向压电电压系数；为轴向介电隔离率；c0为压电陶瓷片的钳定电容；ceff'为正等效电容：

ceff'＝c'

其中，c'为可变电容的电容值。

单刀双掷开关s1的第二脚7连接运算放大器u1，形成反馈电路，外接分流电路等效为负等效电容；其中，反馈电路的负反馈的输入端和输出端并联电容c，反馈电路的正反馈的输入端和输出端并联可变电阻器r2，再串联电阻r1；负反馈的供电端提供负反馈电压v1，正反馈的供电端提供正反馈电压v2，获得负等效电容；此时，外接分流电路等效为负等效电容；v1＝v2＝7.5v；

通过调节可变电阻器r2，进而调节负等效电容，调控与外接分流电路独立连接的压电陶瓷片的负等效声阻抗；

则压电陶瓷片(5)的负等效声阻抗zeff为：

其中，ρ是压电陶瓷片的密度；v是压电陶瓷片的纵波速度，为轴向弹性柔顺系数；g33为轴向压电电压系数；为轴向介电隔离率；c0为压电陶瓷片的钳定电容；ceff为负等效电容：

其中，r1为电阻的阻值；r2为可变电阻的阻值；c为电容的电容值。

在本实施例中，电容c为1nf；r1的电阻值是10kω，可变电阻器r2的最大电阻值是50kω；运算放大器的型号是opa445ap，供给的直流工作电压源v1、v2是7.5v，则负等效电容ceff为-5nf-0。

通过实时调节可变电阻器r2的接入电阻值，实时调节负等效电容，进而实时调节声阻抗匹配层的梯度分布；只需要调节到合适的阻抗梯度分布，可以使装置的声能透射率在宽频范围内获得显著提升。

图2展示了外接电容变化对压电陶瓷片的声阻抗的影响，图2横轴表示外接等效电容的大小，该等效电容包括：正等效电容ceff'和负等效电容ceff，单位是nf；纵轴表示相应的压电陶瓷片的等效声阻抗，单位是mrayl。通过图2可以看到在外接等效电容从-5nf增大到0(负等效电容)和从0再增大到5nf(正等效电容)的过程中，则对应的压电陶瓷片的等效声阻抗的范围是5-50mrayl。

其中，在外接负等效电容为-0.77nf附近发生共振，压电陶瓷片的声阻抗发生剧烈变化。本实施例中，通过调节正等效电容ceff'和负等效电容ceff，保证声阻抗匹配层的声阻抗从其一端到另一端在37.9mray1-2.28mray1范围内呈梯度渐变分布。

所述第一待匹配材料1与第二待匹配材料3是两种声阻抗失配的基底材料，且二者之间的声阻抗差异大。

在本实施例中，第一待匹配材料1为不锈钢圆柱体，第二待匹配材料3的圆柱体长为40cm，直径为15mm；第二待匹配材料3为有机玻璃圆柱体，第一待匹配材料1的圆柱体长为40cm，直径为15mm。不锈钢圆柱体的声阻抗是37.9mray1，有机玻璃圆柱体的声阻抗是2.28mray1；由于声阻抗失配严重，声能量从不锈钢圆柱体传播到有机玻璃圆柱体，造成严重的声能量损失。通过增设声阻抗匹配层，提高声能量透射率；

其中，为了更好地说明透射率的提升，根据上述具体实施例，作出如下数据对比：

当第一待匹配材料1为不锈钢圆柱体，第二待匹配材料3为有机玻璃圆柱体，透射率等于透射到有机玻璃圆柱体的声能量与不锈钢圆柱体中入射的声能量之比；

当第一待匹配材料1和第二待匹配材料3直接连接，此时30-50khz的透射率等于0.21；

当第一待匹配材料1和第二待匹配材料3之间仅设置压电陶瓷片，此时30-50khz的透射率在0.31-0.38的范围内；

当第一待匹配材料1和第二待匹配材料3之间设置压电陶瓷层2，此时30-50khz的透射率在0.75-0.91的范围内；

由此可知，带有外接分流电路的压电陶瓷层的透射率是仅带有压电陶瓷片和无中间匹配层的透射率的2.4-4.3倍，透射率得到了明显的提升。

在本实施例中，第一待匹配材料1和第二待匹配材料3之间采用8片压电陶瓷片，其具体的等效声阻抗分布和外接等效电容大小，其中，等效声阻抗包括正等效声阻抗和负等效声阻抗zeff；等效电容包括：正等效电容ceff'和负等效电容ceff；如表所示：

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。