[发明专利]一种测量匹配层材料声速的方法

说明书

技术领域

本发明属于超声换能器声匹配技术领域，特别是涉及一种声匹配层材料声速测量的理论和方法。

背景技术

声匹配层材料对超声换能器具有重要作用。声匹配层材料的最主要参数是密度ρ和声速V      。在研制声匹配层材料时，密度ρ的测量相对容易，声速V 的测量则较为复杂。

传统的脉冲回波法是一种得到广泛应用的声速测量方法。声波脉冲分别在样品的前表面和后表面发生反射（或透射），产生两个连续的信号。如果已知样品的厚度d和两个连续回波信号的时间间隔T，就可以很容易得到样品的声速值。

但是为了使连续的两个回波信号能够分开，这种声速测量方法要求测量样品的厚度值至少为测量所用超声波波长的四倍。然而由于尺寸效应的存在，对于同一种材料而言，薄层和块体材料可能会具备不同的性质，而换能器声速匹配层往往是薄层形状材料。因此，这种方法很难用于匹配层的声速测量。

Sachse等人在1978年开发出了传统的超声波频谱法，这种方法适用于超薄样品及声匹配层的声速测量。在2004年，王海峰和曹文武开发出了一种新的超声波频谱法，该方法能够给出样品的声速和声衰减，并且适用于超薄样品及声匹配层测试。但是超声波频谱法使用起来不是那么方便，需要专门搭建测试系统，配置水槽，发射换能器，接收换能器，需要对信号做傅里叶变换，进行频谱分析。

发明内容

本发明的目的，是提供一种新的测量匹配层材料声速的方法，该方法能直接测量配匹层，不仅提高了匹配层材料声速测量的速度，而且测量方法简单。

采用的技术方案是：

一种测量匹配层材料声速的方法，其特征在于包括下述步骤：

1、测量仪器：选用阻抗分析仪；

2、选用厚度伸缩振动模式压电陶瓷圆片，按已知的压电陶瓷材料性能测试方法，测得压电陶瓷圆片的串联谐振频率f_s；

3、将待测匹配层材料制成与上述圆形压电陶瓷片直径相同的圆形匹配层；圆形匹配层厚度t的值，是依据步骤2测得的频率f_s和对匹配层材料声速的预估值，计算出匹配层材料的波长值入，然后取匹配层厚度＞?入；

4、将步骤3制好的匹配层与步骤2选用的压电陶瓷片粘接在一起，即为压电振子；

5、匹配层材料声速测量：用阻抗分析仪测量压电振子的电导曲线，采用磨除方法，逐步减小匹配层厚度t，每一步要测量一次压电振子电导曲线；观察曲线变化，随着厚度t的减小，会逐步出现双峰，再继续减小则双峰会逐步消失，直到t减小至零双峰不再出现；我们把双峰对应的频率分别记为f₁、f₂，把f₁、f₂的平均值记为f₀；在测量过程中出现双峰时，记录好每一步t、f₁、f₂数据并计算出f₀。当f₀等于f_s时，所对应的t值就是1/4λ；这样就得到匹配层材料声速V=f_sλ。

本发明的特点：

（1）测量的物理量是电导，而从以往的声速测量的方法测量的物理量大多是声信号。因此本测量的方法仪器简单，仅需一台阻抗分析仪，无需其它设备及装置。

（2）本测量法仅要求样品尺寸为1/4或3/4倍波长，这个特点很有实际意义。因为实际应用时匹配层都是1/4或3/4倍波长，所以测量相当于在真实压电振子形状尺寸和频率下所进行，所得声速更具有真实性。

本发明的测量匹配层材料声速的方法的理论依据是：

本理论依据是对带匹配层的厚度伸缩振动压电晶片的等效电路的理论分析所得出。在换能器的等效电路中既含有压电晶片的参数，也含有声匹配层的参数。因此研究了等效电路也就研究了匹配层，就会得到匹配的参数声速V。从研究中得到结论：对于带匹配层的压电换能器，如果取它的匹配层的厚度t=1/4λ（或3/4λ，5/4λ，……）则它的电导曲线就会出现双峰，记双峰频率分别为f₁、f₂，两者的平均频率f₀=(f₁+f₂)/2，则有f₀=f_s，这样就确定了λ值。从而可得到匹配层材料的声速V= f₀λ。

具体实施方式

一种测量匹配层材料声速的方法，以测量一种要在1MHZ频率下使用的匹配层材料的声速为例，包括下述步骤：