《Ultrasonics》：Design and performance analysis of an unequal-thickness dual-piezoelectric-layer ultrasonic transducer with oppositely polarized layers connected in parallel
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摘要传统超声换能器通常采用单压电层设计，这使其在结构简单性与有限带宽之间存在矛盾。为提升超声换能器的发射声压、灵敏度和带宽，本研究提出了一种不等厚度双压电层超声换能器，其极化方向相反的两层采用并联连接（OPP-UDPL UT）。基于弹性波传播理论，本研究分析了该结构多频响应的形成
摘要
传统超声换能器通常采用单压电层设计，这使其在结构简单性与有限带宽之间存在矛盾。为提升超声换能器的发射声压、灵敏度和带宽，本研究提出了一种不等厚度双压电层超声换能器，其极化方向相反的两层采用并联连接（OPP-UDPL UT）。基于弹性波传播理论，本研究分析了该结构多频响应的形成机理，并建立了描述不同厚度振动模式下机电耦合系数与压电层厚度比之间关系的半经验模型。在此基础上，结合有限元仿真结果，将所提出的换能器与常规单压电层换能器在发射声压、发射带宽和声束指向性方面进行了对比。确定压电层的最佳厚度比为1：3。发射-接收仿真结果表明，与单压电层换能器相比，所提出的换能器灵敏度提高了22%，发射声压提高了4 dB。此外，与单压电层超声换能器和等厚度双压电层反极化并联超声换能器相比，所提出的换能器实现了34%的?6 dB带宽提升。实验结果进一步验证了所提出结构的有效性。总体而言，仿真和实验结果表明，OPP-UDPL UT结构设计简单，能够有效提升超声换能器的灵敏度、声输出和带宽。
引言
压电换能器具有成本低、无创、便携以及能够提供实时高分辨率图像等优点；它们在现代社会中发挥着关键作用，特别是在医疗应用[1]、[2]、工业生产[3]、[4]、[5]和智能系统[6]、[7]、[8]中。灵敏度和带宽是评估超声换能器性能的关键指标[9]。在超声成像中，迫切需要在拓宽带宽的同时提高灵敏度，以实现足够的分辨率并增强超声诊断的准确性。常规超声换能器通常采用单层压电元件，其结构简单且易于制造。然而，这类换能器存在阻抗高、发射效率低和带宽窄的问题。因此，开发新型换能器结构以解决这些问题已成为高性能超声换能器的重要研究方向。
超声换能器的带宽是影响成像性能的重要频率响应特性。提高换能器带宽的常用方法包括：基于特殊材料开发匹配层[10]、[11]、[12]，设计梯度结构匹配层[13]、[14]，以及采用多层匹配层结构[15]、[16]。例如，Lou[11]制作了一种聚对二甲苯C涂覆的聚酰亚胺气凝胶，其具有极低的声阻抗（0.034 MRayl）、低衰减和高机械强度。以这种新材料作为匹配层，可以将超过90%的能量从纯压电陶瓷传输到空气中。Manh[16]设计了由硅、复合材料和聚合物组成的三层匹配层，使换能器能够实现90%–93%的带宽、18.3–25.4 dB的双向插入损耗，以及326 ns和446 ns的脉冲长度。然而，这些方法通常增加了换能器的制造复杂性。将不同带宽的换能器组合成阵列可以在系统层面扩展频率范围[17]，但这种方法本质上并未实现单个换能器带宽的真正拓宽。从压电材料模态特性的角度来看，设计具有多模态特征的换能器为拓宽带宽提供了一种新途径，例如反转层[18]、[19]、[20]和模式耦合[21]、[22]技术。然而，这些方法主要有助于带宽扩展，而对灵敏度和发射效率的提升有限。压电陶瓷作为压电换能器的核心部件，在很大程度上决定了换能器的整体性能。传统的制造工艺，如浇铸和模压，对压电陶瓷性能的提升存在一定的限制[23]。3D打印技术能够制造具有复杂结构的压电陶瓷，从而显著改善换能器的带宽、峰值电压和成像分辨率[24]、[25]。然而，3D打印面临着制造工艺复杂、技术门槛高和成本相对较高等挑战。虽然多层压电板的叠层设计具有低电阻抗和高输出位移的特点，常用于压电叠层致动器[26]、[27]、[28]，但很少应用于超声换能器领域。
为了提高超声换能器的发射效率、灵敏度和带宽，本研究基于多层压电结构的设计理念，提出了一种不等厚度双压电层超声换能器，其极化方向相反的两层采用并联连接（OPP-UDPL UT）。尽管已有研究报道过反转层技术，但其通常采用双压电层串联连接来改善换能器性能。然而，这种结构在发射声压和接收灵敏度方面仍存在一定的局限性。与传统的反转层技术不同，所提出的设计采用了OPP-UDPL UT。这种结构不仅引入了多种模式以拓宽工作带宽，还增加了器件电容并降低了电阻抗，从而增强了换能器的发射声压和接收灵敏度。具体而言，两个厚度不同且极化方向相反的压电层在机械上串联连接、在电气上并联连接，使换能器能够同时激励多个谐振频率相近的厚度伸缩模式。通过理论分析和仿真，确定两个压电层的厚度比为1：3。在此条件下，除了常规的一阶和二阶厚度伸缩模式外，换能器还能在一阶和二阶谐振频率之间激励一个衍生模式。这些模式具有清晰的模态特征，其对应的中心谐振频率间隔适中，使得各自的带宽能够重叠，从而显著增强整体工作带宽。对三种设计的换能器进行了声学仿真，以验证OPP-UDPL UT的声学特性。制作了三个原型换能器，并进行了电学和声学实验测试，以验证所提出结构设计的可行性和有效性。
章节摘要
OPP-UDPL UT的弹性波传播与多频特性
单层压电换能器通常存在电阻抗高和声压输出效率低的问题。叠层多层压电设计可以有效增加器件电容并降低电阻抗，从而在驱动电路能够提供足够电流的前提下，提高相同电压驱动条件下的电声能量转换效率和声压输出能力。否则，增加的
电学测试
根据第2节确定的压电层、匹配层和背衬层的厚度，按照有源背衬换能器的制造工艺[32]制作了三个原型换能器，以实验验证所提出设计的性能。为确保两个压电层之间的可靠电气连接和机械耦合，首先将适量高粘度导电银浆均匀涂覆在
结论
现有的超声换能器通常基于单压电层结构，往往存在电阻抗高、带宽窄和发射声压低的问题，从而限制了其在医疗和工业领域的应用。为解决这些局限性，本研究提出了OPP-UDPL UT。分析了所提出换能器多频响应的形成机理。M1的解析模型和M2的半经验模型，
CRediT作者贡献声明
阚环英：撰写–初稿，软件，方法学，正式分析，概念化。 薛文杰：软件，数据管理。 田超： 。 邵伟伟：监督，正式分析。 李章健：可视化，验证。 刘永斌：项目管理，概念化。 居斌：撰写–审阅与编辑，资源，方法学。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了国家自然科学基金（批准号52175529）、安徽省高校优秀青年项目（批准号2023AH030003）、安徽省高校协同创新计划（批准号GXXT-2022-048）以及安徽省省级高峰学科高校科研计划专项项目（控制科学与工程，批准号Z010311009）的资助。
阚环英|薛文杰|田超|邵伟伟|李章健|刘永斌|居斌
安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥 230601，中国
