一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法；该方法如下：一、构建用于换能器仿真的几何模型；二、设定背衬和复合匹配层的密度、杨氏模量和泊松比。三、对几何模型进行物理场的选定，确定物理场边界所涉及的多物理场；四、使用脉冲电压对压电元件进行激励。五、仿真得到换能器的终端电压数据。六、进行换能器的灵敏度和带宽计算。七、调整背衬的材料类型和厚度，并重新执行步骤一至六；优选出最终的背衬的材料类型和厚度。八、使用步骤七得到的背衬材料类型和厚度，构建换能器。本发明专利技术通过构建几何模型进行仿真的方式，优选换能器的衬底厚度和材质，从而获得满足设计要求的换能器，能够显著降低换能器的研发时间成本和材料成本。成本。成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法


[0001]本专利技术属于超声技术超声换能器的制造领域，具体涉及一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法。

技术介绍

[0002]超声换能器在超声领域应用广泛，一种被广泛使用的超声换能器的结构如图1所示，其中压电元件的作用为：接受电信号，将电能转化为声能；接收声信号，将声能转化为电能。匹配层的作用为：实现从压电元件到待检测介质的阻抗过渡，提高超声换能器的灵敏度和能量传输效率。背衬的作用为减少波形拖尾，提高换能器的轴向分辨率，提供散热渠道，对压电元件提供物理支撑。
[0003]在超声无损检测中，换能器的脉冲宽度直接影响轴向分辨力。压电元件在受到脉冲激励的时侯，不仅向前辐射声能，还会向后进行声能辐射。向后辐射的声能如果被反射回来，则会带来严重的杂波干扰，致使换能器产生的波形附带着严重的拖尾。为了消除这样的杂波干扰，除了减小激励信号的脉冲宽度和采用低Q
m
值的压电材料外，人们通常会在压电元件后侧添加一层高阻抗、高衰减的背衬层。
[0004]通常添加背衬的方式分为两种：(1)粘接法：制成背衬块之后，使用胶水实现背衬与压电元件的紧密结合(2)灌注成型法：使用模具成型的方式，通过往环氧树脂中加入填料的方式来实现背衬的制作，环氧树脂固化之后将自动实现压电元件与背衬的紧密结合。
[0005]灵敏度和带宽是衡量一个超声换能器的两个重要指标，超声换能器的三个部分对此都会产生影响。就单独研究背衬对灵敏度和带宽的影响而言，则存在一定的不便之处。对于使用灌注成型法而言，压电元件的价格昂贵，一旦背衬灌注成型，则只能够对背衬的厚度进行调整，在背衬材料固定的前提下寻找最合适的背衬厚度，这在一定程度上增大了超声换能器的研发成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法。
[0007]一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、构建用于换能器仿真的几何模型；所述的几何模型中包含由依次层叠设置的背衬、压电元件和复合匹配层组成的换能器。
[0009]步骤二、设定背衬和复合匹配层的密度、杨氏模量和泊松比。
[0010]步骤三、对几何模型进行物理场的选定，确定物理场边界所涉及的多物理场；
[0011]步骤四、在几何模型中，使用脉冲电压对压电元件进行激励。
[0012]步骤五、使用仿真软件对几何模型进行仿真，得到换能器的终端电压数据。
[0013]步骤六、将步骤五得到的终端电压数据导出后，进行换能器的灵敏度和带宽计算。
[0014]步骤七、调整背衬的材料类型和厚度，并重新执行步骤一至六；得到不同背衬的材料类型和厚度及其对应的换能器灵敏度和带宽。选择换能器灵敏度和带宽均符合要求的背
衬材料类型和厚度组合，作为最终的背衬的材料类型和厚度。
[0015]步骤八、使用步骤七得到的背衬材料类型和厚度，构建换能器。
[0016]作为优选，步骤一中所述的几何模型还包括贴合在一起的水域和完美匹配层。换能器中的复合匹配层与水域贴合。
[0017]作为优选，步骤一中所述的几何模型通过COMSOL建立。
[0018]作为优选，步骤三中所述的物理场包括静电、固体力学、压电效应、压力声学
‑
瞬态。所述的多物理场包括声
‑
结构边界。
[0019]作为优选，步骤四中，所述的脉冲电压v(t)的波形为：
[0020][0021]其中，T0为换能器中心频率所对应的时钟周期；t为时间。
[0022]作为优选，步骤六中换能器的灵敏度Srel为：
[0023][0024]其中，U
c
为来自规定反射体回波放大前的电压峰峰值；U
a
为施加到压电元件上的电压峰峰值。
[0025]作为优选，步骤六中换能器的宽度BW为：
[0026]BW＝(fu
‑
f1)/fc*100％
[0027]其中，f1和f
u
分别为最大脉冲
‑
回波响应(
‑
6dB)的两个频率；f
c
为脉冲
‑
回波中心频率。
[0028]脉冲
‑
回波中心频率f
c
的表达式如下：
[0029]f
c
＝(f1+f
u
)/2。
[0030]本专利技术具有的有益效果是：
[0031]本专利技术通过构建几何模型进行仿真的方式，优选换能器的衬底厚度和材质，从而获得满足设计要求的换能器，能够显著降低换能器的研发时间成本和材料成本。
附图说明
[0032]图1为本专利技术中构建的几何模型的示意图。
[0033]图2为本专利技术中几何模型的物理场、多物理场和边界条件的设定示意图。
[0034]图3为本专利技术的实施例中换能器使用不同厚度的背衬a所对应的时频图。
[0035]图4为本专利技术的实施例中换能器灵敏度、带宽与背衬a厚度的关系图。
[0036]图5为本专利技术的实施例中换能器使用不同厚度的背衬b所对应的时频图。
[0037]图6为本专利技术的实施例中换能器灵敏度、带宽与背衬b厚度的关系图。
[0038]图7为本专利技术的实施例中换能器使用不同厚度的背衬c所对应的时频图。
[0039]图8为本专利技术的实施例中换能器灵敏度、带宽与背衬c厚度的关系图。
[0040]图9为本专利技术的实施例中设定的三款背衬的性能对比图。
具体实施方式
[0041]以下结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0042]一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法，包括以下步骤：
[0043]步骤一、设定背衬的材料类型和厚度；使用COMSOL软件中的几何模块建立用于仿真的几何模型如图1所示。几何模型包括换能器、水域和完美匹配层。换能器包括依次层叠设置的背衬、压电元件和复合匹配层。
[0044]步骤二、将预设的匹配层、背衬的密度、杨氏模量和泊松比导入到COMSOL软件的材料库中。
[0045]步骤三、如图2所示，对几何模型中的各个部分进行物理场的选定，确定物理场边界所涉及的多物理场；物理场包括静电、固体力学、压电效应、压力声学
‑
瞬态。多物理场包括声
‑
结构边界。
[0046]步骤四、在几何模型中，使用脉冲电压对压电元件进行激励，所使用的脉冲电压v(t)的波形为：
[0047][0048]其中，T0为换能器中心频率所对应的时钟周期；t为时间。
[0049]步骤五、选择COMSOL软件中的瞬态分析模块，确定仿真的时长和步长后进行仿真计算，得到换能器的终端电压数据。
[0050]步骤六、将步骤五得到的终端电压数据导出后，进行换能器的灵敏度和带宽计算。
[0051]灵敏度的计算方式为：用幅度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、构建用于换能器仿真的几何模型；所述的几何模型中包含由依次层叠设置的背衬、压电元件和复合匹配层组成的换能器；步骤二、设定背衬和复合匹配层的密度、杨氏模量和泊松比；步骤三、对几何模型进行物理场的选定，确定物理场边界所涉及的多物理场；步骤四、在几何模型中，使用脉冲电压对压电元件进行激励；步骤五、使用仿真软件对几何模型进行仿真，得到换能器的终端电压数据；步骤六、将步骤五得到的终端电压数据导出后，进行换能器的灵敏度和带宽计算；步骤七、调整背衬的材料类型和厚度，并重新执行步骤一至六；得到不同背衬的材料类型和厚度及其对应的换能器灵敏度和带宽；选择换能器灵敏度和带宽均符合要求的背衬材料类型和厚度组合，作为最终的背衬的材料类型和厚度；步骤八、使用步骤七得到的背衬材料类型和厚度，构建换能器。2.根据权利要求1所述的一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法，其特征在于：步骤一中所述的几何模型还包括贴合在一起的水域和完美匹配层；换能器中的复合匹配层与水域贴合。3.根据权利要求1所述的一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法，其特征在于：步骤一中所述的几何模型通过COMSOL建立。4.根据权利要求1所述的一种基于背衬参数仿真的换能器优化方法，其特征在于：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽丽，李泽欣，汶飞，翟自豪，袁鸿斌，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：