(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)陶瓷作为一类重要的高性能无铅压电材料体系，有望推动医用超声成像换能器技术的无铅化。对KNN陶瓷进行有效掺杂改性研究，采用固相烧结法制备了具有优异压电性能的KNN基压电陶瓷，其压电常数达400 pC/N，机电耦合系数为55%。基于其高压电、低声阻抗的综合性能设计制备了高分辨力、大带宽及高频率的医用超声换能器，其纵向分辨率达47 μm，-6 dB带宽达93%，中心频率为18.0 MHz。利用此换能器对人体组织模型进行B模式超声成像，获得管状组织的高分辨率结构图像。结果表明，KNN体系陶瓷是一种应用于医用高频超声成像中综合性能优异的材料。

针对空气耦合超声换能器存在换能器与空气介质阻抗失配，易造成电声转换效率低等问题，该文提出了一种采用空心酚醛树脂微球与环氧树脂基体研制的声匹配层，并对匹配层的声学特性进行测试与分析。测试结果表明，与空心玻璃微球匹配层相比，空心酚醛树脂微球匹配层具有声速更低及插入损耗更大的特点。基于此，该文研制了一种空气耦合超声换能器，对两只经匹配后的换能器进行测试，分析了接收信号的时域及频域特征，并与空心玻璃微球匹配层换能器进行性能对比。结果表明，与空心玻璃微球匹配层相比，采用空心酚醛树脂微球匹配层可减小换能器带内起伏，使换能器的-6 dB带宽扩展2倍以上，并在时域上减小接收信号的拖尾。

液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题, 该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500 μm, 空气中谐振频率为136 kHz)组成, 分别作为发射端与接收端。实验测试结果表明, 该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系, 在776~1 150 kg/m3密度范围内具有良好的响应, 其灵敏度为17 Hz/kg/m3。

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察, 其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列, 进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料, 并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整, 机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试, 并利用其对人体皮肤进行了超声成像, 换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明, 软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽, 这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。

与其他压电材料相比, 1-3型压电单晶复合材料具有优异的压电性能和更匹配的声学特性, 更有利于制备出性能优异的超声换能器。该文通过有限元软件COMSOL对复合材料的振动模态及阻抗特性进行了系统的研究, 同时采用皮秒激光制备了高频1-3型Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)铁电单晶/环氧树脂复合材料,并进行了性能表征。该1-3复合材料机电耦合系数为0.65, 声阻抗为19.96 MRayls。该复合材料可用于制备高频超声换能器, 结果表明, 换能器中心频率为17.68 MHz, -6 dB带宽为84.38%, 插入损耗为-25.4 dB。

Lead zirconate titanate (PZT) ceramics possess great potential for practical applications and thus improving their piezoelectric properties is crucial. Pb0.99?xSm0.01BaxZr0.53Ti0.47O₃ (PSBZT) ceramics with high Curie temperature and excellent piezoelectric properties were fabricated via a conventional solid-state method, and the effect of Ba2+ doping on the structural, dielectric, piezoelectric and ferroelectric properties was studied in detail. It is shown that doping of Ba2+ significantly enhanced the piezoelectric properties of PSZT, the maximum d33～533 pC/N and Tc～361°C at x= 0.02 were acquired. Furthermore, PSZT and PSBZT ceramics were used to prepare single element ultrasonic transducers, and their performance were compared and evaluated. The results demonstrate that the PSBZT ceramic-based transducer possesses better sensitivity and bandwidth than the PSZT ceramic-based transducer.

利用COMSOL软件建立简化的分析模型, 对支撑柱型电容式超声传感器(CMUT)模型进行有限元分析, 并将其与圆形空腔CMUT模型进行对比。结果表明, 支撑柱型CMUT模型的共振频率为10 kHz, 塌陷电压为52 V, 有利于进行低频化设计。与圆形空腔CMUT模型相比, 支撑柱型CMUT模型的有效面积较大, 寄生电容较少, 器件的灵敏度较高, 塌陷电压较低, 振膜的振幅较大, 工作时发出的声信号较弱。

In this paper, 0.36Pb(Ni1/3Nb2/3)O₃–0.24PbZrO₃–0.40PbTiO₃(PNN-PZT) ceramic was prepared, and texture engineering was performed on this PNN-PZT ceramic to improve its electromechanical properties and temperature stability. Single element ultrasonic transducers were prepared using PNN-PZT, PNN-PZT textured ceramics, and their performance were evaluated and compared using a PZT-5H ceramic based transducer as the benchmark. It is shown that the sensitivity and bandwidth of the PNN-PZT textured ceramic-based transducer are much superior to regular PNN-PZT ceramic and PZT-5H ceramic based transducers.In this paper, 0.36Pb(Ni1/3Nb2/3)O₃–0.24PbZrO₃–0.40PbTiO₃(PNN-PZT) ceramic was prepared, and texture engineering was performed on this PNN-PZT ceramic to improve its electromechanical properties and temperature stability. Single element ultrasonic transducers were prepared using PNN-PZT, PNN-PZT textured ceramics, and their performance were evaluated and compared using a PZT-5H ceramic based transducer as the benchmark. It is shown that the sensitivity and bandwidth of the PNN-PZT textured ceramic-based transducer are much superior to regular PNN-PZT ceramic and PZT-5H ceramic based transducers.

温度测量在航空航天、公共安全、智能制造及智能家居等方面具有重要意义。基于超声波原理的测温技术是近年来发展起来的一种新型温度测量方式, 超声波测温技术具有非接触式, 温度测量范围广, 响应速度快和测量准确度高等特点, 在航空发动机、微波干燥等领域表现出了良好性能。该文面向三维球体空间温度场测量的需求背景, 基于超声波飞行速度与介质温度相关原理, 采用收发同体式超声波换能器, 设计了针对二维圆形平面的8换能器结构和针对三维球体空间的26换能器结构, 提出了分时轮训超声波换能器接收控制策略, 建立了基于径向基函数的空间温度重构算法, 并基于Matlab平台对测温方法进行仿真。仿真结果表明, 对于构建的对角偏斜和中心对称二维圆形平面温度场模型, 以及中心对称三维球体温度场模型均具有良好的重建效果, 同时在超声飞行时间的测量中还叠加了标准差分别为0.02%、0.03%和0.05%的三类高斯白噪声, 进一步验证了该文提出的对射式超声波温度场测量方法具有较好的鲁棒性。

针对高温超声检测技术的应用需求, 该文研究了基于钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基高温压电陶瓷材料的高温超声换能器。利用PiezoCAD器件仿真软件设计并制作了一款1 MHz的高温压电超声换能器, 且在200 ℃下对该器件的电学和声学性能进行了测试和分析。结果表明, 随着测试温度的升高, 换能器的脉冲回波幅值虽略有降低, 但其中心频率、带宽变化不明显, 带宽仍保持在20%左右。该文设计并制备的BS-PT基高温压电超声换能器可以在200 ℃环境中正常稳定工作。