一种可调梯度声阻抗匹配层制造技术

本发明专利技术属于超声换能器和声学检测技术领域，具体涉及一种可调梯度声阻抗匹配层，该声阻抗匹配层(2)包括：第一待匹配材料(1)、压电陶瓷层(2)、第二待匹配材料层(3)；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，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)；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。

【技术实现步骤摘要】
一种可调梯度声阻抗匹配层
本专利技术属于超声换能器和声学检测
，具体地说，涉及一种可调梯度声阻抗匹配层。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术作进一步的描述。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调梯度声阻抗匹配层，其特征在于，该声阻抗匹配层(2)包括：第一待匹配材料(1)、压电陶瓷层(2)和第二待匹配材料层(3)；所述压电陶瓷层(2)安装在第一待匹配材料(1)与第二待匹配材料(3)之间，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)；/n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)，使每个压电陶瓷片(5)的声阻抗值呈梯度渐变分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种可调梯度声阻抗匹配层，其特征在于，该声阻抗匹配层(2)包括：第一待匹配材料(1)、压电陶瓷层(2)和第二待匹配材料层(3)；所述压电陶瓷层(2)安装在第一待匹配材料(1)与第二待匹配材料(3)之间，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)；
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)，使每个压电陶瓷片(5)的声阻抗值呈梯度渐变分布。


2.根据权利要求1所述的可调梯度声阻抗匹配层，其特征在于，所述多个压电陶瓷片(5)呈层叠状串联连接，且沿轴向进行极化，每个压电陶瓷片(5)的两端覆盖薄电极。


3.根据权利要求1所述的可调梯度声阻抗匹配层，其特征在于，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(6)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(7)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。
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉真，毕亚峰，贾晗，杨军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11