基于1-3型壓電復合材料的高頻球形單陣元超聲換能器的設(shè)計.pdf

1、超聲換能器是醫(yī)學成像設(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型壓電復合材料的球形單陣元超聲換能器相對于傳統(tǒng)的單晶材料換能器有很大的優(yōu)勢。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電轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢。球形超聲換能器不用添加聲透鏡來聚焦，減少了超聲傳播過程中能量的損耗，可以獲得優(yōu)異的聲場特性。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合材料的概念和背景。通過分析國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，討論了本文的研究內(nèi)容和意義，并提出1-3型壓電復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，介紹了壓電復合材料和壓力聲學基本理論。首次使用COMSOL有限元軟件創(chuàng)建了1-3型壓電復合材料和球形換能器的優(yōu)化模型。通過仿真分析，優(yōu)化了壓電復合材料的各項參數(shù)和換能器的匹配層厚度，并研究了換能器的聲場特性。
　　隨后，以1-3型壓電復合材料仿真得到的優(yōu)化參

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

4、過脈沖回波實驗測試換能器樣品的參數(shù)，其中心頻率、帶寬和焦距基本達到預期的設(shè)計指標。
　　通過以上研究發(fā)現(xiàn)，COMSOL有限元仿真分析的結(jié)果與實驗結(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壓電復合材料和換能器的性能有很大的影響。本文不僅提供1-3型壓電復合材料的仿真研究方法和換能器的仿真設(shè)計思路，而且提供了一種新的球形單陣元超聲換能器的制備方法。本文為以后的復合材料球形單陣元超聲換能器的深入研究打下了堅實的基礎(chǔ)，