高頻水浸聚焦換能器的研制

廖嘉 湯路

摘 要：超聲特征掃描成像檢測技術是新技術，此技術可以很好地對復合材料構件的質量進行準確的評價，而超聲成像檢測的關鍵是專用換能器能夠正確提取復合材料內部的檢測信息，因此，研制出一種性能好的高頻水浸聚焦換能器是復合材料檢測的重中之重。通過實驗表明，自制的換能器能夠有效地應用于復合材料的檢測，完全達到準確評價復合材料構件質量的目的。

關鍵詞：高頻聚焦；換能器；超聲特征成像檢測

Abstract：Ultrasonic feature scan imaging technology is a new technology，that can make a good evaluation to the quality of the metal composite material.The key of the ultrasonic feature scan imaging technology is using the probe concerned detect the metal composite material.Therefore，the most important thing is manufacturing a good performance probe whose characteristics are high frequency，water coupling and focus mode.From the experiment，we can see the probe which we manufacture can apply to detect the metal composite material well，so，it achieves to evaluate the quality of the metal composite material well and truly.

Key words：high frequency and focus mode；ultrasonic feature scan imaging technology；the metal composite material

近年來，金屬復合材料受到世界各國普遍重視，被廣泛地應用于汽車、飛機、環保設備和化工設備等方面，以滿足工業生產對材料的各種需要。由于復合材料結構具有明顯的各向異性，而且性能的離散性較大，[1]因此產生缺陷的機理復雜且變化多樣，而且復合材料構件的聲衰較大，航空、航天構件的復合材料制件大都較薄，由此引起的噪聲和缺陷發射信號的信噪比低，不易分辨。[2]因此，對檢測復合材料用的探頭要求大大高于普通金屬材料的檢測要求。在利用F掃描成像系統檢測復合材料構件時，高頻水浸聚焦探頭起了關鍵的作用，直接決定著檢測的成敗，筆者研制的高頻聚焦探頭，其高靈敏度可以提高小缺陷的檢出率和系統的抗干擾能力，寬帶窄脈沖可擴大提取信號的頻帶范圍，聚焦可提高檢測的分辨力，[2]因此達到對復合材料質量進行準確評價的目的。

1 高頻聚焦探頭的設計與制作

（1）壓電晶片的頻率設計。綜合縱向分辨率和橫向分辨率以及靈敏度的要求，探頭中心頻率設定到8-10MHz。

（2）壓電晶片的材料選擇。目前國內大多選用PZT-5材料制作探頭的壓電晶片，這種材料雖然價格便宜，發射靈敏度高，但它在厚度模振動的同時容易產生橫向的其他振動，徑向振動很大，而要阻尼徑向振動還較困難，[3，4]所以用它制作高靈敏度、高頻率的探頭尚存在困難。比較PZT-5和PbTiO3裸片在相同激勵下發生逆壓電效應時產生的波形，發現PZT-5有很明顯的徑向振動，PbTiO3的非厚度振動很少，由此可見用PbTiO3做厚度方向的振子可以得到近似的純模態。

因此，選擇PbTiO3材料的壓電晶片。壓電片的厚度是與其工作頻率相對應的：t=λ2=Cl2f，PT材料的縱波聲速Cl為4240m/s，根據上式得到PT壓電片在10MHz厚度值為0.212mm。

（3）背襯材料的選擇。本設計中背襯材料采用環氧鎢粉，環氧樹脂：鎢粉：固化劑的比例[5]為5：3：1。其中鎢粉有100目和300目兩種的，為能達到滿意的衰減效果，背襯的厚度應該超過3.5mm。在實際制作中，一般做到4mm以上。

2 探頭的制作及性能測試

對壓電晶片進行性能測試，對其進行編號，并開始制作。實驗中聲透鏡采用精細鎢粉，固化劑和環氧樹脂的混合物，比例同背襯的配方，先配制好制作聲透鏡的材料，用配料直接澆注在晶片上，當環氧鎢粉固化到一定程度時，再用不透鋼球體壓制成形，并放在干燥箱烘干，之后再稍加研磨拋光。不同焦距的聚焦探頭需要不同曲率的透鏡，制作不同曲率的透鏡就可以用不同曲率的球體壓制。[5]壓制時應盡量保證透鏡中心點與晶片中心重合，且要盡量控制氣泡的產生。

最后，加工銅棒，將探頭放入其中，然后用蠟封住避免它受潮及短路，完成整個探頭的制作。

探頭制作好之后，分別對10個探頭編號后進行性能測試，以其中一個性能最好的探頭為例。

圖1是晶片受到100V電壓脈沖時發生逆壓電效應所產生的振動波形圖，此時衰減為20dB，由圖可知晶片的頻率為9.62MHz，晶片起振的波列在兩個半周期左右，后帶1-2個振幅很小的余振。

圖2探頭的靈敏度比較高，分辨力也比較好。

圖3（a）可以看出，自制探頭波列非常窄，并且只有一個半周期，后帶振幅很小的余振，測量得出頻率為9.584MHz，峰峰值為6.96V，可推斷此探頭性能非常好。圖3（b）是自制探頭波形頻譜分析圖，從圖中可以看出，探頭的中心頻率值為9.5MHz左右，并有很大的信號提取的頻帶范圍。

從以上來看，自制探頭波列比較理想，且一次底波峰—峰值高，性能比較優良，分辨力和靈敏度也比較高，對于超小缺陷的檢測能夠達到預期效果。

3 超聲特征成像中的應用

實驗采用雙金屬轉子復合層超聲特征檢測系統，利用制作的探頭對復合材料轉子零件進行了檢測。圖4是銅/鋼復合轉子零件樣實物圖。該試樣的銅/鋼復合層厚度為4mm，其中銅層厚度為2.36mm。下面以轉子一個柱塞孔的檢測結果為例來說明探頭的性能。

通過比較圖5（a）與圖5（b）可以看出，缺陷波能比較明顯地與正常波形區分開。

4 結論

從實驗可看出，所研制的探頭能夠非常有效地應用于超聲成像中對復合材料結合層中微小缺陷的檢測，達到準確檢測復合材料質量的目的。

參考文獻：

[1]劉懷喜，張恒，馬潤香.復合材料無損檢測方法[J].無損檢測，2003，25（12）：632.

[2]陸銘慧，付德永，王海芳，等.復合材料層狀薄板超聲特征掃描成像檢測[J].無損檢測，2005，27（9）：449-453.

[3]林書玉.超聲換能器的原理及設計[M].北京：科技出版社，2004.

[4]魏勤，蘇虹，彭如海，張志永.聚焦換能器在SiCp/Al復合材料超聲無損檢測中的應用[J].實驗力學，2003，18（2）：265-270.

[5]黃江，李堅，劉偉平.水浸聚焦探頭聲透鏡的研制[J].南昌航空工業學院學報（自然科學報），2010，17（4）：86-89.

作者簡介：廖嘉（1984-），女，碩士，中級工程師，主要從事特種設備檢驗檢測工作及研究。