基于垂直压电薄膜阵列的空气耦合超声换能器性能优化研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Air-coupled ultrasound transduction improvement using vertical piezoelements’ array

本文针对空气耦合超声换能中存在的声阻抗严重失配问题，提出了一种新型PVDF薄膜垂直阵列结构。通过间隙发射和膜发射两种模式，显著提升了传输灵敏度和带宽，实验测得最高灵敏度达320 mPa/V，带宽超过270%，为宽带空气耦合超声应用提供了创新解决方案。

　　

超声技术作为一种非电离、非侵入的测量与成像手段，在医学和科学领域具有重要价值。然而，空气耦合超声的应用始终面临着一个根本性挑战：压电材料与空气之间巨大的声阻抗失配。压电陶瓷的声阻抗高达20-40 MRayl，而空气仅有413 Rayl，两者相差数万倍。这种失配导致能量被困在压电元件内部，只能以窄带共振方式工作，使压电材料产生大应变的优势无法发挥。

传统解决方案包括四分之一波长匹配层和超材料结构，但这些方法对材料特性要求极高，且设计和制造工艺复杂。虽然已有研究报道了-20 dB带宽80%、传输灵敏度5-12 Pa/V的优异结果，但这些方案难以大规模应用。聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜因其较低的声阻抗（1-5 MRayl）而备受关注，但其固有的低灵敏度（仅0.2-0.4 μV/Pa）限制了实际应用。

为解决这些难题，来自立陶宛考纳斯科技大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》上发表了一项创新研究，提出了一种基于垂直PVDF薄膜阵列的新型换能器结构。该研究通过重新设计压电元件的取向和排列方式，实现了显著的性能提升。

研究人员采用有限元法（FEM）在COMSOL中进行仿真分析，结合实验验证，主要技术方法包括：使用周期性边界条件的二维平面应变模型模拟无限大换能结构；采用Gabor函数作为激励波形（中心频率150 kHz或750 kHz，带宽100%）；通过离散傅里叶变换（DFT）将时域波形转换到频域；制作实际样机进行实验测量，使用自研的数据采集系统和信号处理算法（正弦波相关SWC技术）提取信号特征。

2. 换能器设计原理

研究提出了两种发射模式：间隙发射和膜发射。在间隙发射模式中，PVDF薄膜平行排列，中间留有空气间隙，薄膜的纵向扩展（d₃₃模式）与发射方向对齐。这种设计通过将单个薄膜产生的压力集中到狭窄间隙中，同时利用高度扩展（d₃₁模式）产生的边缘发射，显著提高了转换效率。当薄膜高度h远大于厚度t时，绝对扩展量Δh显著大于厚度扩展Δt，实现了低至500 Rayl的等效声阻抗。

在膜发射模式中，仅使用扩展（d₃₁模式），通过大膜位移和更好的空气匹配来增加发射压力。当PVDF薄膜厚度40 μm、空气间隙200 μm时，等效声阻抗为500 kRayl。使用具有大横向压电系数d₃₁的PVDF薄膜可以最大化位移。

3. 仿真性能评估

3.1. 间隙发射仿真分析

仿真结果显示，间隙发射的改善由h与间距（t+w）的比值定义，腔体共振峰值频率由λ/2空气柱高度h定义。当薄膜厚度t=40 μm、间隙宽度w=10 μm时，传输灵敏度峰值可达4.3 Pa/V。更薄的薄膜（1 μm）甚至可以达到44 Pa/V，但受到击穿电压的限制。

3.2. 膜发射仿真分析

在膜发射模式中，发射改善由h与PVDF薄膜厚度t的比值定义，与间隙发射模式相反，发射受w的影响较小。仿真表明，使用厚度达100 μm的膜是可行的，更大的h（超过1.2 mm）也可以使用，但反共振峰值频率由PVDF薄膜高度h的λ定义。

4. 实验结果

4.1. 间隙发射实验结果

实验测量显示，当间隙宽度w=200 μm、PVDF薄膜高度h=1.2 mm、厚度t=45 μm时，传输灵敏度达到58 mPa/V，-20 dB带宽为1.12 MHz（138%）。当h增加到3 mm时，灵敏度提高到155 mPa/V，但带宽略有减少（940 kHz）。局部峰值灵敏度测量显示带宽超过测量范围，只能从仿真中推断。

4.2. 膜发射实验结果

膜发射模式的实验结果显示，传输灵敏度达到320 mPa/V，-20 dB分数带宽达到270%，显著优于传统的λ/4匹配换能器。研究还发现，弯曲运动对转换性能的影响很小，垂直力主要由d₃₁活塞式模式定义。

研究结论表明，通过特殊的压电元件取向和排列方式，新型PVDF薄膜垂直阵列结构成功解决了空气耦合超声中的声阻抗失配问题。间隙发射模式通过压力集中和边缘发射机制，实现了高传输灵敏度和超宽带宽；膜发射模式则通过大膜位移和更好的阻抗匹配，进一步提升了性能。

实验证实，新型换能器可实现155-320 mPa/V的传输灵敏度和超过270%的分数带宽，远超传统λ/4匹配换能器（约100%带宽和11.7 Pa/V灵敏度）。虽然新型换能器的灵敏度较低，但其卓越的带宽性能为宽带空气耦合超声应用开辟了新途径。通过频谱扩展信号技术，可以补偿高达20 dB的光谱损失，使非均匀的频率响应不再成为限制因素。

这项研究的重要意义在于：首先，它提供了一种相对简单且成本效益高的解决方案，避免了复杂匹配层和超材料结构的制造难题；其次，超宽带宽特性使其特别适用于需要高频分辨率的应用场景，如材料特性测量、无损检测和生物医学成像；最后，研究揭示的物理机制和设计原则为未来空气耦合超声换能器的优化设计提供了重要理论基础。

研究人员指出，尽管目前实现的灵敏度仍低于传统匹配换能器，但通过进一步优化薄膜材料、阵列参数和激励方式，性能还有提升空间。特别是随着柔性电子和微制造技术的发展，这种阵列结构有望实现更精密的制造和更大规模的集成，为空气耦合超声技术的广泛应用奠定坚实基础。