【摘 要】
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超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号之间转换的载体,是超声成像与检测系统中的核心部件。为了提高超声换能器的带宽、灵敏度等性能参数,除了优化压电层的电学性能外,匹配层和背衬层等无源声功能材料的设计在提升超声换能器性能方面也发挥着重要的作用。压电层通常与传播介质（如组织、空气和水等）声阻抗不匹配,导致声能量传输效率低,从而降低超声换能器的灵敏度和带宽。匹配层具有高声能量透射的特性,能有效地解决声能
【基金项目】
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广东省引进创新创业团队项目（2016ZT06G375）； 国家自然科学基金（11804059）；
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超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号之间转换的载体,是超声成像与检测系统中的核心部件。为了提高超声换能器的带宽、灵敏度等性能参数,除了优化压电层的电学性能外,匹配层和背衬层等无源声功能材料的设计在提升超声换能器性能方面也发挥着重要的作用。压电层通常与传播介质（如组织、空气和水等）声阻抗不匹配,导致声能量传输效率低,从而降低超声换能器的灵敏度和带宽。匹配层具有高声能量透射的特性,能有效地解决声能量传输效率低的问题。背衬层则用来吸收压电层向后方传播的超声波,从而提高超声换能器的带宽。因此,近年来匹配层和背衬层等声学材料的设计成为了本领域的研究热点。3D打印技术具有成型快、精度高和无模成型等特点,已经逐渐被应用在制造领域。为了能够提高超声换能器的性能,简化匹配层和背衬层的制作工艺,本论文对光固化成型技术制备匹配层和背衬层等声学材料进行了以下三个方面的研究:（1）氧化铝/低粘度光敏树脂匹配层。确定光固化成型技术参数以及研究氧化铝体积分数（5～25%）对匹配层性能参数的影响。当氧化铝的体积分数不断提高时,氧化铝/光敏树脂的密度也随之提高,呈线性正比关系,其变化范围为1.25～1.86 g/cm3。因为氧化铝的密度（3.98 g/cm3）大于光敏树脂的密度（1.14 g/cm3）,因此匹配层的密度随氧化铝的体积分数增大而增大。声速则呈先减少后增大的变化规律,其变化范围为2410～2650 m/s。在氧化铝体积分数为15%时取到最小值2410 m/s。而声阻抗则是不断增大,其变化范围为3.15～4.93 MRayl。因为匹配层的声速变化不明显,所以声阻抗主要受密度影响。因此声阻抗的变化规律与密度的变化规律一致,呈线性正比的关系。声衰减系数则呈先增大后减少的变化规律,其变化范围为2.54～3.59 dB/mm。在氧化铝体积分数为15%时,取到最大值3.59 dB/mm。（2）铁合金/高粘度光敏树脂背衬层。用光固化成型技术制备了不同铁合金体积分数（5～25%）的背衬层,研究背衬层性能参数的变化规律。随着铁合金的体积分数不断提高,铁合金/光敏树脂的密度也随之提高,呈线性正比关系,其变化范围为1.86～2.54 g/cm3。声速则呈现先增加后减少再增加的变化规律,总体呈下降趋势,其变化范围为1762～2080 m/s。声阻抗则呈线性正比的关系,其变化范围为3.75～4.60 MRayl。声衰减系数则呈先增大后减小再增大的变化规律,总体呈上升趋势,其变化范围为4.55～8.63 dB/mm。用PiezoCAD对所制备的氧化铝/光敏树脂匹配层和铁合金/光敏树脂背衬层进行模拟仿真,研究其对中心频率为2.5 MHz的PZT-5H超声换能器的影响。与无匹配层的超声换能器相比,氧化铝/光敏树脂匹配层换能器的带宽由25.86%提高到了44.02%。将背衬层替换成铁合金体积分数为25%的背衬层进行模拟仿真。超声换能器的带宽由44.02%提高到55.19%。（3）用光固化成型技术分别打印了具有通孔（直径:0.8 mm;间距:1.2 mm）和锥状结构（底面直径:0.8 mm,高:1.3 mm）的样品。研究不同填充物对其声学性能规律的影响。结果表明,与无通孔结构的钨粉/光敏树脂样品相比,通孔结构的钨粉光敏树脂样品的声衰减系数由3.93 dB/mm提高7.18 dB/mm。用光固化成型技术制备了锥状样品,并且用离心法将质量分数为70%的银粉/环氧树脂填充锥状样品。与离心法制得的质量分数为70%的银粉/环氧树脂相比,锥状银粉/环氧树脂样品的声衰减系数由8.9 dB/mm降低到7.6 dB/mm。
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