本發明涉及聲學換能器，尤其涉及一種基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器。

背景技術：

1、空氣耦合超聲無損檢測技術具有非接觸、非侵入、完全無損的特點，可以應用于原位檢測，具有很好的應用前景?？諝怦詈蠈拵Q能器，廣泛應用于大型基建、軌道交通、食品安全、新型復合材料、醫療成像和新能源、醫療成像及非破壞性測試等領域得到廣泛應用。

2、目前國內外，主要是從匹配層和壓電片的角度來提高換能器的帶寬。從匹配層的角度出發，可以采用多匹配層的設計來提高換能器的帶寬。盡管多層匹配設計可以提高空耦換能器的相對帶寬，但匹配層數越多，實現難度越大，往往達不到預期的效果。從壓電片的角度出發，引入1-3型pmn-pt壓電單晶復合材料制作換能器，也可以提高相對帶寬。以上兩種方法盡管可以在一定程度上提升換能器的帶寬，但帶寬仍然存在著理論的上限。即受限于厚度振動的物理特性，只能在基波和其他奇次諧波頻率處產生峰值，偶次諧波被抑制，因此激勵出的超聲信號存在明確的理論帶寬上限。使用非一致層厚的雙層鐵電單晶可以在奇、偶次諧波頻率處均產生峰值，由于空氣耦合換能器無背襯的特性，且不同諧振峰之間的峰谷值差異較大，換能器的頻率響應不能連接起來，限制了換能器獲取更大的帶寬信號。

3、現有技術中的單壓電片換能器在寬帶性能和聲能轉換效率方面存在不足，尤其是在需要高靈敏度和高分辨率的應用場景中，無法有效地捕捉和轉換聲波信號。

技術實現思路

1、有鑒于此，有必要提供一種基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，用以解決如何提高換能器的帶寬和聲能轉換效率的問題。

2、為了解決上述問題，本發明提供一種基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，包括：

3、變厚度匹配層、前壓電片、后壓電片、外殼、后蓋板、接口和匹配電路；

4、所述后壓電片、所述前壓電片和所述變厚度匹配層設置于所述外殼內；

5、所述后蓋板覆蓋與所述外殼的末端固定連接，與所述外殼形成中空的圓柱結構；所述接口固定設置于所述后蓋板上；所述接口用于接收超聲波信號；

6、所述后壓電片的負極、和所述前壓電片的負極貼合；

7、所述前壓電片的正極和所述變厚度匹配層通過的圓形表面依次貼合；

8、所述前壓電片的正極和所述后壓電片的正極通過導線連接；

9、所述后壓電片和所述前壓電片的厚度不同；

10、所述前壓電片的正極和所述后壓電片的正極連接，所述前壓電片的負極和所述后壓電片的負極連接；

11、所述前壓電片和所述后壓電片通過導線和所述匹配電路的輸出端連接；所述匹配電路的輸入端通過導線和所述接口連接。

12、在一種可能的實現方式中，所述變厚度匹配層的形狀為圓柱體；所述圓柱體的頂面為內凹球面。

13、在一種可能的實現方式中，所述變厚度匹配層的厚度的取值范圍為0.7mm~1.5mm。

14、在一種可能的實現方式中，所述后壓電片、所述前壓電片和所述變厚度匹配層依次通過環氧樹脂膠水粘接。

15、在一種可能的實現方式中，所述后壓電片和所述前壓電片通過壓緊的方式進行貼合。

16、在一種可能的實現方式中，所述匹配電路為二階l型電路。

17、在一種可能的實現方式中，所述變厚度匹配層、所述前壓電片和所述后壓電片的直徑相同。

18、在一種可能的實現方式中，所述變厚度匹配層、所述前壓電片和所述后壓電片為同軸設置。

19、在一種可能的實現方式中，所述前壓電片和所述后壓電片的材質均為1-3型壓電復合材料。

20、在一種可能的實現方式中，所述變厚度匹配層的材質為環氧玻璃微珠復合材料。

21、本發明的有益效果是：本發明提供的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，通過采用不同層厚的后壓電片和前壓電片，使用非一致層厚的雙層壓電結構可以激勵出同時包含基波和二次諧波的超聲信號，產生較高的帶寬，結合變厚度匹配層可以在足夠寬的頻帶范圍內實現聲阻抗匹配，將雙層壓電結構產生的包含奇、偶次諧波的信號變為可向空氣介質中發射與接收的寬帶信號，通過匹配電路可以實現背襯的效果，突破現有空耦換能器的理論帶寬上限，顯著提高帶寬，從而提高聲能轉換效率。

技術特征：

1.一種基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述變厚度匹配層的形狀為圓柱體；所述圓柱體的頂面為內凹球面。

3.根據權利要求2所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述變厚度匹配層的厚度的取值范圍為0.7mm~1.5mm。

4.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述后壓電片、所述前壓電片和所述變厚度匹配層依次通過環氧樹脂膠水粘接。

5.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述后壓電片和所述前壓電片通過壓緊的方式進行貼合。

6.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述匹配電路為二階l型電路。

7.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述變厚度匹配層、所述前壓電片和所述后壓電片的直徑相同。

8.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述變厚度匹配層、所述前壓電片和所述后壓電片為同軸設置。

9.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述前壓電片和所述后壓電片的材質均為1-3型壓電復合材料。

10.根據權利要求1所述的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，其特征在于，所述變厚度匹配層的材質為環氧玻璃微珠復合材料。

技術總結
本發明涉及一種基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，屬于聲學換能器技術領域，該基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器包括：后壓電片的負極和前壓電片的負極貼合；前壓電片的正極和變厚度匹配層的圓形表面貼合；前壓電片的正極和后壓電片的正極通過導線連接；后壓電片和前壓電片的厚度不同；前壓電片和后壓電片通過導線和匹配電路的輸出端連接。本發明提供的基于雙壓電片的空氣耦合寬帶換能器，使用非一致層厚的雙層壓電結構，結合變厚度匹配層可以在足夠寬的頻帶范圍內實現聲阻抗匹配，將雙層壓電結構產生的包含奇、偶次諧波的信號變為可向空氣介質中發射與接收的寬帶信號，通過匹配電路可以實現背襯的效果，顯著提高帶寬，從而提高聲能轉換效率。

技術研發人員：吳樵,耿傲峰,李劍,曾屹高,宋小春,涂君,張旭
受保護的技術使用者：湖北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28