一种梯度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，具体是一种梯度阻抗匹配层，所述梯度阻抗匹配层包括第一匹配层和第二匹配层；第一匹配层和第二匹配层之间为第一背景介质和第二背景介质的分界面；所述第一匹配层由在第一背景介质中呈离散排列的实心填充物或空心填充物组成；第二匹配层由在第二背景介质中呈离散排列的空心填充物组成；所述梯度匹配层的阻抗从低到高呈现指数分布，其每层厚度对应的四分之一波长的频率保持一致，通过多层共振叠加，实现宽频透射。该梯度阻抗匹配层可以实现跨越不同背景介质界面的宽频透射。同背景介质界面的宽频透射。同背景介质界面的宽频透射。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度阻抗匹配层


[0001]本专利技术属于超声换能器和声学检测
，具体是一种梯度阻抗匹配层，更具体是一种可实现宽频液气透声的梯度阻抗匹配层。

技术介绍

[0002]随着人类对海洋资源的开发与利用，实现水下与空气中的通讯变得十分重要。由于声波在海水中传播的衰减程度远远小于电磁波，因此声波成为海洋中信息和能量传播的主要载体。然而，由于水和空气巨大的阻抗差异，当声波入射到水气界面时，仅有0.1％的声能量能透过界面传播，这给基于声波的水气通讯带来了巨大的挑战。
[0003]目前，针对宽频透声的梯度阻抗匹配层被广泛应用在超声探测和医学超声等领域。但由于水和空气之间的阻抗差异过大，其对应的梯度阻抗匹配层难以实现。关于水气透声的研究主要是基于共振实现的单频透射，而未有宽频的透射。但单频的水气透声可承载的信息量少，传输效率低，并不能满足实际通讯的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种梯度阻抗匹配层，该梯度阻抗匹配层不仅可以实现跨越气液界面的宽频透射，还可根据实际应用场景需求提供针对不同目标频段和带宽和不同层数的梯度阻抗匹配层。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0006]一种梯度阻抗匹配层，所述梯度阻抗匹配层包括第一匹配层和第二匹配层；第一匹配层和第二匹配层之间为第一背景介质和第二背景介质的分界面；
[0007]所述第一匹配层由在第一背景介质中呈离散排列的实心填充物或空心填充物组成；
[0008]第二匹配层由在第二背景介质中呈离散排列的空心填充物组成；
[0009]所述梯度匹配层的阻抗从低到高呈现指数分布，其每层厚度对应的四分之一波长的频率保持一致，通过多层共振叠加，实现宽频透射。
[0010]优选地，第一匹配层的等效声速c
eff1
和等效阻抗Z
eff1
由如下公式计算得到：
[0011][0012]其中，填充率f为填充物在第一背景介质中的占比，为无量纲参数，c
a
为第一背景介质的声速，其单位为m/s，Z
a
为第一背景介质的阻抗，单位为Rayls。
[0013]优选地，第二匹配层的等效阻抗Z
eff2
和等效声速c
eff2
由公式由公式计算得到；
[0014]其中，等效密度ρ
eff
和体积模量K
eff
通过如下公式计算得到：
[0015]ρ
eff
＝ρ
w
f
w
+ρ
s
f
s
+ρ
a
f
a
[0016][0017]f
w
,f
s
,f
a
分别为第二背景介质、空心填充物框架和空心填充物框架中第一背景介质在离散单元中的填充率；
[0018]ρ
w
,ρ
s
,ρ
a
分别为第二背景介质、空心填充物框架和第一背景介质的密度，单位：kg/m3；
[0019]S
u
为离散单元的面积，单位：m2；
[0020]S
w
为第二背景介质在单个离散单元中所占的面积，单位：m2，K
w
为第二背景介质的体积模量，单位：Pa；
[0021]dS
al
是空心填充物由于外界压力引起的形变量，单位：m2/Pa。
[0022]优选地，所述实心填充物的截面形状为正n边形或圆形，其中，n≥4；所述空心填充物的截面形状为正n边形或圆形，其中，n≥4。本领域技术人员根据需要还可以选择其他截面形状，比如长方形、不规则的多边形如梯形等。
[0023]优选地，所述实心填充物和空心填充物的制作材料为木质材料、塑料或金属材料，进一步优选地，金属材料为铝、铜或钢。本领域技术人员还可根据需要选择其他本专利技术中未说明的材料，比如塑料中的聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂等。
[0024]优选地，所述第一匹配层包括若干种不同结构几何参数的填充物，其中离散单元的截面边长b＝1
‑
100mm，填充物的截面边长为a＝0.5
‑
99.5mm，且b大于a。
[0025]进一步优选地，所述第一匹配层包括2种不同结构几何参数的正方形实心填充物；第1种正方形实心填充物的结构几何参数为：离散单元的截面边长b＝10mm，正方形实心填充物的截面边长为a＝7.5mm，列数为6；第2种正方形实心填充物的结构几何参数为：离散单元的截面边长b＝30mm，正方形实心填充物的截面边长为a＝29mm，列数为2。在该第一匹配层中，两种不同结构几何参数的填充物均呈阵列形状进行排列，比如第一种正方形实心填充物的列数为6，行数为18，当然，本领域技术人员根据需要还可以选择其他的列数和行数；第二种正方形实心填充物的列数为2，行数为6，当然，本领域技术人员根据需要还可以选择其他的列数和行数；第一种和第二种相邻排列，且第二种结构的填充物相邻第二匹配层。
[0026]优选地，所述第二匹配层包括若干种不同结构几何参数的空心填充物，其中离散单元的截面边长为x＝5
‑
100mm，空心填充物的截面边长为y＝4
‑
99mm，壁厚为t＝0.5
‑
98mm；且x大于y，y大于t。
[0027]进一步优选地，所述第二匹配层包括2种不同结构几何参数的正方形空心填充物；第1种正方形空心填充物的结构几何参数为：离散单元的截面边长为x＝36mm，正方形空心填充物的截面边长为y＝28mm，壁厚为t＝0.5mm，列数为1；第2种正方形实心填充物的结构几何参数为：离散单元的截面边长为x＝20mm，正方形空心填充物的截面边长为y＝17mm，壁厚为t＝0.5mm，列数为9。在该第二匹配层中，两种不同结构几何参数的填充物均呈阵列形状进行排列，比如第一种正方形空心填充物的列数为1，行数为5，当然，本领域技术人员根据需要还可以选择其他的列数和行数；第二种正方形空心填充物的列数为9，行数为9，当然，本领域技术人员根据需要还可以选择其他的列数和行数；第一种和第二种相邻排列，且第一种结构的填充物相邻第一匹配层。
[0028]优选地，所述离散排列中离散单元的截面形状为正方形或矩形。
[0029]优选地，第一背景介质为空气，第二背景介质为水。本领域技术人员根据需要还可以选择其他的背景介质，比如其他气体或液体等。
[0030]当离散单元、实心填充物和空心填充物的截面形状均为正方形时，离散排布方式优选为周期排布。
[0031]在该种情况下：
[0032]所述第一匹配层由呈离散周期排列的正方形实心填充物组成，离散单元的截面边长为b，实心填充物的截面边长为a；
[0033]第二匹配层由呈离散周期排列的空心填充物组成，离散单元的截面边长为x，空心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度阻抗匹配层，其特征在于，所述梯度阻抗匹配层包括第一匹配层和第二匹配层；第一匹配层和第二匹配层之间为第一背景介质和第二背景介质的分界面；所述第一匹配层由在第一背景介质中呈离散排列的实心填充物或空心填充物组成；第二匹配层由在第二背景介质中呈离散排列的空心填充物组成；所述梯度匹配层的阻抗从低到高呈现指数分布，其每层厚度对应的四分之一波长的频率保持一致，通过多层共振叠加，实现宽频透射。2.根据权利要求1所述的一种梯度阻抗匹配层，其特征在于，第一匹配层的等效声速c
eff1
和等效阻抗Z
eff1
由如下公式计算得到：其中，填充率f为填充物在第一背景介质中的占比，为无量纲参数，c
a
为第一背景介质的声速，其单位为m/s，Z
a
为第一背景介质的阻抗，单位为Rayls。3.根据权利要求1所述的一种梯度阻抗匹配层，其特征在于，第二匹配层的等效阻抗Z
eff2
和等效声速c
eff2
由公式计算得到；其中，等效密度ρ
eff
和体积模量K
eff
通过如下公式计算得到：ρ
eff
＝ρ
w
f
w
+ρ
s
f
s
+ρ
a
f
a
f
w
,f
s
,f
a
分别为第二背景介质、空心填充物框架和空心填充物框架中第一背景介质在离散单元中的填充率；ρ
w
,ρ
s
,ρ
a
分别为第二背景介质、空心填充物框架和第一背景介质的密度，单位：kg/m3；S
u
为离散单元的面积，单位：m2；S
w
为第二背景介质在单个离散单元中所占的面积，单位：m2，K
w
为第二背景介质的体积模量，单位：Pa；dS

【专利技术属性】
技术研发人员：周萍，贾晗，毕亚峰，杨玉真，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：