本文關(guān)鍵詞： 阻抗匹配 超聲換能器 梯度材料　出處：《南京大學(xué)》2015年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：聲阻抗匹配是超聲換能器的核心技術(shù)之一,可以提高換能器的性能。從上個(gè)世紀(jì)五十年代以來(lái),人們深入研究了換能器阻抗匹配的問(wèn)題,提出了諸多理論,其中最著名的是Mason等效電路理論和KLM等效電路理論,它們至今仍然用于指導(dǎo)換能器的設(shè)計(jì)。匹配層的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從單層到雙層乃至多層的發(fā)展,單層匹配遵循四分之一波長(zhǎng)匹配技術(shù),雙層或者多層利用耦合共振機(jī)制展寬帶寬,其中每層厚度也設(shè)計(jì)在四分之一波長(zhǎng)左右。目前最常見(jiàn)的中高端換能器采用雙層匹配層設(shè)計(jì)。本文中,(1)我們建立了非均勻媒質(zhì)的聲阻抗率轉(zhuǎn)移方程。該方程將阻抗率轉(zhuǎn)移公式推廣至更一般的結(jié)果,不僅可以方便計(jì)算非均勻材料的聲透射性能,更可以將梯度變化材料匹配層納入經(jīng)典的換能器等效電路理論。利用阻抗率轉(zhuǎn)移方程,我們研究了兩端阻抗率分別等于入射介質(zhì)和出射介質(zhì)阻抗率的梯度型匹配層性能,并得出了聲阻抗梯度匹配的一般規(guī)律。結(jié)果表明：(2)聲學(xué)性質(zhì)梯度變化的匹配層具有高頻幾乎全透射的性能,而低頻截止頻率隨厚度增大而降低。(3)匹配層的透聲性能依賴(lài)于層的幾何和物理參數(shù)及其變化。固定厚度情況下,通常低截止頻率和平坦的透射譜不能兼得,但是通過(guò)合理的材料參數(shù)分布設(shè)計(jì),我們得到了理想的的阻抗匹配效果。(4)為了便于實(shí)際制備,我們研究了梯度離散化的多層結(jié)構(gòu)的透聲性能,結(jié)果表明透聲性能與連續(xù)媒質(zhì)的結(jié)果相似。(5)我們用復(fù)合材料和變截面管道等效的方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)梯度變化材料并且得到了和理論一致的仿真效果。(6)我們也將變換聲學(xué)的方案也用于解決阻抗匹配的問(wèn)題。變換聲學(xué)理論基于聲波方程的共形變換,這種方式理論上可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)全頻帶全透射,并且不存在共振透射的機(jī)制,波形可以無(wú)失真穿透兩種媒質(zhì)。本文設(shè)計(jì)了一種基于平面波的阻抗匹配的方案并做了仿真。本文研究的非均勻媒質(zhì)中聲傳播問(wèn)題及其在阻抗匹配中的應(yīng)用,為研制新型超聲換能器匹配層提供了新的理論方法。
[Abstract]:Acoustic impedance matching is one of the core technologies of ultrasonic transducers, which can improve the performance of transducers. Since -50s, the problem of impedance matching of transducers has been deeply studied and many theories have been put forward. The most famous are Mason equivalent circuit theory and KLM equivalent circuit theory, which are still used to guide the design of transducers. The design of matching layer has experienced the development from single layer to double layer and even multi-layer. The single-layer matching follows the 1/4 wavelength matching technique, and the bandwidth is widened by the coupling resonance mechanism between the bilayers and multi-layers. The thickness of each layer is also designed at about 1/4 wavelength. At present, the most common mid- and high-end transducers are designed with double-layer matching layer. 1) We have established the acoustic impedance rate transfer equation of inhomogeneous medium, which extends the impedance rate transfer formula to more general results, which can not only be convenient to calculate the acoustic transmission performance of non-uniform materials. Furthermore, the gradient material matching layer can be incorporated into the classical equivalent circuit theory of transducer, and the impedance rate transfer equation can be used. We study the performance of gradient matching layer with impedance ratio of two ends equal to that of incident medium and output medium respectively. The general law of acoustic impedance gradient matching is obtained. The results show that the matching layer with the gradient variation of acoustic properties has the property of almost full transmission at high frequency. The low frequency cutoff frequency decreases with the thickness increasing. The acoustic permeability of the matching layer depends on the geometric and physical parameters of the layer and its changes. Usually, the low cut-off frequency and flat transmission spectrum can not be obtained, but through the reasonable material parameter distribution design, we get the ideal impedance matching effect. 4) in order to facilitate the practical preparation. We study the sound transmission performance of gradient discretized multilayer structures. The results show that the acoustic permeability is similar to that of the continuous medium. (5) We use composite materials and pipes with variable cross-section equivalent to realize the gradient materials with parameters, and obtain the simulation results in accordance with the theory. We also use the scheme of transforming acoustics to solve the problem of impedance matching. The theory of transform acoustics is based on conformal transformation of acoustic equations. In this way, the full-band transmission can be achieved theoretically, and there is no resonant transmission mechanism. Waveforms can penetrate two kinds of media without distortion. In this paper, a scheme of impedance matching based on plane wave is designed and simulated. The problem of acoustic propagation in non-uniform media and its application in impedance matching are studied in this paper. It provides a new theoretical method for the development of a new type of ultrasonic transducer matching layer.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB552

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