基于1-3型壓電復(fù)合材料的高頻球形單陣元超聲換能器的設(shè)計(jì).pdf

1、超聲換能器是醫(yī)學(xué)成像設(shè)備上關(guān)鍵的組件之一，仍然存在很多工藝瓶頸有待突破。基于1-3型壓電復(fù)合材料的球形單陣元超聲換能器相對(duì)于傳統(tǒng)的單晶材料換能器有很大的優(yōu)勢(shì)。開發(fā)的換能器有低的聲阻抗、小的介電常數(shù)、大的帶寬值和高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢(shì)。球形超聲換能器不用添加聲透鏡來(lái)聚焦，減少了超聲傳播過(guò)程中能量的損耗，可以獲得優(yōu)異的聲場(chǎng)特性。使超聲換能器不僅具有好的波束性能，而且具有較高的分辨率和靈敏度。
　　首先，本文介紹了超聲換能器、球形單陣元

2、超聲換能器及壓電復(fù)合材料的概念和背景。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，討論了本文的研究?jī)?nèi)容和意義，并提出1-3型壓電復(fù)合材料的高頻球形單陣元超聲換能器的研究技術(shù)路線。
　　其次，介紹了壓電復(fù)合材料和壓力聲學(xué)基本理論。首次使用COMSOL有限元軟件創(chuàng)建了1-3型壓電復(fù)合材料和球形換能器的優(yōu)化模型。通過(guò)仿真分析，優(yōu)化了壓電復(fù)合材料的各項(xiàng)參數(shù)和換能器的匹配層厚度，并研究了換能器的聲場(chǎng)特性。
　　隨后，以1-3型壓電復(fù)合材料仿真得到的優(yōu)化參

3、數(shù)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)改進(jìn)的切割填充法制備壓電復(fù)合材料。并使用磁控濺射的方法制備其表面電極，再進(jìn)行材料的表征分析。得出1-3型壓電復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、聲阻抗值、縱波聲速等參數(shù)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。
　　最后，以制備出的1-3型壓電復(fù)合材料為基礎(chǔ)和換能器仿真設(shè)計(jì)得到的優(yōu)化參數(shù)為指導(dǎo)，來(lái)制備基于1-3型壓電復(fù)合材料的高頻球形單陣元超聲換能器。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)工藝的研究，提出一種新的解決方案，使制備過(guò)程更加可靠并且易操作。再通

4、過(guò)脈沖回波實(shí)驗(yàn)測(cè)試換能器樣品的參數(shù)，其中心頻率、帶寬和焦距基本達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
　　通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，COMSOL有限元仿真分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，切縫的填充物、壓電相的寬高比和匹配層的厚度對(duì)壓電復(fù)合材料和換能器的性能有很大的影響。本文不僅提供1-3型壓電復(fù)合材料的仿真研究方法和換能器的仿真設(shè)計(jì)思路，而且提供了一種新的球形單陣元超聲換能器的制備方法。本文為以后的復(fù)合材料球形單陣元超聲換能器的深入研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，