超声换能器声阻抗渐变匹配层的设计与性能研究

Acoustic impedance mismatching between piezoelectric material and human tissue causes 80% acoustic energy is reflected on the tissue surface，hence sensitivity of medical ultrasonic transducer is reduced largely. In order to improve acoustic energy transfer efficiency between piezoelectric material and human tissue, transducer matching layers are needed to research deeply. In this project, novel ultrasonic matching materials are studied based on magnesium alloy composite. Acoustic properties of magnesium alloys are investigated using ultrasonic method and the relationships between crystallography orientation and acoustic parameters are explored. Based on these results, the magnesium alloy composites can be designed. The 1-3 type and 2-2 type magnesium alloy composites are design and fabricated and the effects of fabrication methods, raw material proportions, structures and temperature on density, sound velocity, acoustic impedance and acoustic attenuation are investigated. The optimum matching materials can be obtained. The medical ultrasonic transducers are fabricated using magnesium alloy composites and the bandwidth, sensitivity and sound pressure fields of transducers are tested. The superiority of magnesium alloy composites as matching layer in practical application can be revealed. Our results will provide a novel idea on design and development of matching layers and may be helpful for further work on medical ultrasonic transducers.

压电材料与人体组织间的声阻抗失配使得声波在进入人体组织时约80%的能量被反射，造成医用换能器的灵敏度大幅降低。本项目提出并研发以镁合金基复合材料为载体的新型匹配材料，旨在开发出更高声学传输效率的医用超声换能器。采用超声的方法测试多种镁合金的声学性能，研究镁合金晶体取向与声学性能之间的内在联系，为镁合金基复合材料的设计提供理论和数据支撑；设计并制备1-3、2-2型镁合金-聚合物复合材料，研究制备工艺、基材比例、结构及温度等因素对材料密度、声速、声阻抗及声衰减等的影响规律，优化获得符合匹配层理论要求的复合材料；制作镁合金-聚合物复合材料为匹配层的换能器，研究换能器的带宽、灵敏度、声场分布等性能，验证1-3、2-2型镁合金复合材料作为匹配层在实际医用超声换能器中的效能。研究结果可为超声换能器匹配层的设计和开发提供新的思路，为高性能医用超声换能器的研发奠定基础。

本项目主要针对压电材料与人体组织之间的声阻抗失配造成医用超声换能器性能大幅降低的问题，提出以镁合金为新型匹配材料，优化医用超声换能器的带宽和灵敏度。首先采用超声脉冲回波的方法，系统研究了镁合金晶体取向与弹性特性之间的内在联系，结果表明镁合金在弹性性能上可以认为是各向同性的材料；对镁合金的声阻抗进行了分析，发现镁合金的声阻抗在10 MRayl附近，符合双层匹配压电超声换能器对第一层匹配层的要求；对镁合金的声衰减特性进行了研究，发现声衰减系数在7.5 MHz的频率下约为0.02 dB/mm，在30 MHz下声衰减为0.32 dB/mm，小于现有的复合声匹配材料的声衰减系数，适合用于压电超声换能器的声学匹配材料。其次，基于KLM双层匹配理论，选用AZ31B镁合金为第一层匹配层，设计并制作了PMN-PT压电单晶超声换能器，换能器的中心频率为3.37 MHz，-6dB带宽为67%，中心频率处的插入损耗为11.4dB，轴向分辨率和横向分辨率分别为693μm和5200μm，优于0-3复合材料为匹配层的换能器的性能；设计并制作了用AZ31B为第一匹配层的PZT-5H和PSN-PMN-PT压电陶瓷超声换能器，换能器的工作频率在5 MHz附近，-6 dB带宽大于70%；这些结果表明镁合金是一种可用作换能器匹配层的材料。最后，采用有限元软件Comsol研究了以镁合金为匹配层的平面型和聚焦型的PZT-5H超声换能器的阻抗谱和声场分布，发现曲率半径越大，可获取更长的焦柱，但声束宽度更宽，横向分辨率更差，意味着焦柱长度和横向分辨率无法同时实现最优值，需要综合考虑来确定曲率半径；聚焦换能器的横向分辨率明显优于平面换能器。此外，作为辅助内容，还开发了镁合金和铝合金为发射面的功率型压电超声换能器，对过轴线的平面内的二维声场进行了研究，发现镁合金为发射面的换能器的声场分布符合圆形平面活塞换能器的声场分布，声压最大值的位置在自然焦点附近，而铝合金为发射面的换能器的声压最大值在发射面处，说明镁合金比铝合金更适合用于压电陶瓷和水之间的匹配材料。本项目为压电超声换能器提供新的匹配材料，为开发高性能医用超声换能器奠定基础。