高灵敏度宽频带OPCM超声换能器的试制

　　征具有发射和接收定向波信号的能力，有助于提高结构损伤定位精度。在OPCM元件研究的基础上，理论分析了声阻抗匹配层与OPCM元件间的声阻抗关系，并通过实验验证了带声阻抗匹配层的OPCM换能器具有更高的正交比，灵敏度和带宽也进一步得到提高。

　　0 引言

　　OPCM超声换能器因其特有的正交异性特征能对不同方向的应力波具有不同的响应特性，能够有效抑制侧向干扰信号接收，提高其信噪比[1]。在超声成像、超声医学、工程结构无损检测等领域，常采用在换能器的前表面加声阻抗匹配层的技术来提高换能器的带宽和灵敏度[2-4]。超声换能器中的换能元件与负载之间的声阻抗匹配层相当于一个声变换器，理想状态下，当匹配层的阻抗与传播介质的阻抗完全匹配时，即达到全透射的状态[5-6]。匹配层能使声能高效地在换能器换能元件和其负载间传输，改变前后媒质的阻抗关系，提高换能器的灵敏度和频带宽度，减少失真[7]。

　　为了提高和改善OPCM超声换能器的灵敏度和带宽，在原有OPCM超声换能器研制的基础上，从理论上分析了匹配层与OPCM 元件间的声阻抗关系，通过实验得知了钨粉-环氧树脂合成材料具有较宽声阻抗范围，制备了以钨粉-环氧树脂合成材料作为声阻抗匹配层的OPCM换能器，并通过实验对带匹配层的OPCM超声换能器的正交异性、灵敏度和带宽等性能进行了测试。结果表明: 相比不带匹配层的换能器，带匹配层的OPCM换能器具有更好的正交异性特征，灵敏度和带宽进一步得到提高。

　　1 OPCM 换能器的构造

　　1.1 OPCM超声换能器的构造形式

　　该实验选用的换能器是自制的片状1-1型OPCM换能器，它是由压电相材料与聚合物材料按照一定连通方式组合而成，其结构示意图如图1所示。研究发现，换能器在X、Y方向上激励(接收)信号差别最明显，这种特性被称作正交异性。它作为驱动器，可以更多地激励X方向的信号; 作为传感器，可以减少Y方向的干扰信号，有助于提高换能器的信噪比。

　　1.2 匹配层声阻抗的计算

　　试制的OPCM超声换能器采用单层阻抗匹配层。超声波在2种介质中传播满足2个条件[8]: 声阻抗匹配层声阻抗Z2为压电晶片声阻抗Z1和负载声阻抗Z3的几何平均值，即:

　　且声阻抗匹配层的厚度为λ/4的奇数倍(λ表示超声波在声阻抗匹配层中传播时的波长)时，达到全透射状态。实中，选用的OPCM元件的声阻抗值为13.8MRayl，负载铝板的声阻抗值为17.2MRayl. 因此，OPCM超声换能器的声阻抗匹配层的阻抗应为 ZOPCM= 15. 4 MRayl.