一種新型的超聲蘭姆波換能器*

劉 暢高廣健陳 瀚鄧明晰

(陸軍勤務學院基礎部，重慶 401331)

超聲蘭姆波是一種在板類結構中傳播的超聲導波，它具有傳播速度快，傳播距離遠及幅值衰減小等優點[1-2]。由于蘭姆波與整個板材上缺陷產生較強的相互作用，可以攜帶大量檢測所需信息，能夠較好檢測出板材的材料缺陷，故其廣泛用于板類結構缺陷的快速檢測中[3]。

蘭姆波傳播的多模態性導致不同模態信號疊加，使其在激發、傳播、接收以及信號處理方面變得非常復雜[4]，限制了蘭姆波在結構缺陷檢測中的應用。為解決這一問題，超聲導波無損檢測中經常使用斜入射式壓電換能器[5-6]和梳狀壓電換能器[7-8]，來實現特定模態超聲蘭姆波的激發和接收。斜入射式壓電換能器通過選擇不同角度楔形塊和激發頻率，根據Snell 定律獲得不同模態的導波。梳狀壓電換能器通過調整探頭的間距、壓電片的寬度和對輸入信號進行相位控制，實現板或管道中激發出特定的導波模態。

設計并制作了一種由YZ 鈮酸鋰晶體和叉指電極裝配使用的叉指型超聲蘭姆波壓電換能器，可實現特定頻率下單一模態超聲蘭姆波的激發與接收，并在鋁板中進行了相應的實驗。

1 超聲蘭姆波頻散特性分析

對于給定厚度的板材，在任意頻率下都存在2 種或2 種以上的蘭姆波模式[9]，因此首先需對蘭姆波的頻散特性進行分析。以鋁板為例進行理論和數值研究，鋁板參數如表1 所示。對單層鋁板中傳播的超聲蘭姆波進行數值研究，所得頻散曲線如圖1 所示。

圖1 頻散曲線

表1 待測鋁板材料參數

在圖1(a)中，橫坐標表示頻率，縱坐標表示相速度，斜直線則代表波長。由圖1 可知，可以通過波長和頻率來確定超聲蘭姆波模式，如圖1 中點P所示。需要注意的是相同的波長條件下，所對應的超聲蘭姆波模式并不是唯一的，因此還要通過激發頻率加以控制。

結合圖1 所示頻散曲線，僅選用S0蘭姆波模式開展相應的數值和實驗研究。擬激發點P對應的S0模式，其對應的頻率f＝1.71 MHz，波長λ＝1.90 mm，群速度cg＝2.15 km/s。

2 叉指超聲蘭姆波換能器

擬設計一種裝配式的叉指蘭姆波換能器，用于激發和接收單一模態的超聲蘭姆波，如圖2 所示。它包括銅質叉指電極、導線、絕緣薄膜和YZ 鈮酸鋰晶體。在使用該超聲蘭姆波換能器時，只需根據目標超聲蘭姆波模式的信息來更換銅質叉指電極、導線和絕緣薄膜，而不需更換鈮酸鋰晶體。

圖2 叉指換能器結構示意圖

2.1 叉指電極設計

換能器中主要使用的叉指電極材料包括金、鉑、銅等。銅的密度與金相比較低，延展性適中，足以滿足中低頻的超聲器件要求，且具有價格低、與集成電路工藝兼容等優勢。本次選擇銅作為叉指電極材料，所有指條狀銅電極各自由同一連接條連接并蝕刻于基材2 側構成導電層。叉指電極決定了換能器激發和接收的超聲蘭姆波模式，并影響換能器激發和接收蘭姆波信號的強度[10]，因此需要對其進行精心的設計。叉指電極的結構如圖3 所示，其相關參數主要包含指條寬度a，周期性排列指條間距L，指條長度h，連接條寬度w和單側指條數目n。

圖3 叉指電極結構示意圖

采用矢量和法[11-12]對叉指換能器進行分析與討論，以確定叉指電極的相關參數。假設超聲蘭姆波在傳播時無衰減，且叉指換能器(如圖3 所示)每個指條所激發/接收到的簡諧超聲蘭姆波的幅值均為A0、相速度和頻率分別記為cP和f。由于叉指換能器指條呈周期性排列，相鄰指條間距為L。根據波的傳播原理，相鄰指條所接收到的蘭姆波的相位差應為θ＝ωτ＝，則整個叉指換能器激發/接收到蘭姆波后的總信號為各指條輸出信號的和，即:

當Δθ＝kπ(k＝1，3，5…)時，總輸出達到最大值:

此時可得到:

即，當叉指換能器的指條間距L為目標超聲蘭姆波半波長的奇數倍時，叉指換能器的總輸出將達到最大值，可利用該條件設計叉指換能器的相關參數。根據圖1 中P點多對應的超聲蘭姆波模式和頻率，分別選取L＝λ/2 ＝0.95 mm，a＝λ/4 ＝0.475 mm，n＝30，h＝49 mm，w＝5 mm。

2.2 壓電材料

常用于超聲換能器的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體以及PVDF 薄膜等[13-14]。一般來說壓電晶體因具有損耗小、可靠性高、重復性好等特點得到廣泛使用。鈮酸鋰晶體，具有獨特的聲光效應、壓電效應、熱電效應，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學藥品污染、易制成任意形狀的片或管狀等優勢，因此廣泛應用于力學、聲學、光學、電子等技術領域[15]。設計的叉指超聲蘭姆波換能器擬選用YZ 鈮酸鋰晶體作為壓電基底材料，其長×寬×高分別為60 mm×45 mm×6 mm。

2.3 叉指換能器的安裝

按照前文所述的設計參數，對YZ 鈮酸鋰晶體和叉指電極進行了加工，加工精度控制在±100 μm。考慮到換能器測試及后期實際檢測的需要，對叉指電極、導線和絕緣薄膜進行了一體化樣件加工和組裝，即:將厚度為100 μm 的銅質叉指電極直接刻蝕在厚度為200 μm 的絕緣薄膜上，導線通過焊接的方式連接在叉指電極上。在叉指換能器的使用過程中，將一體化加工的叉指電極通過耦合劑粘貼到擦洗干凈的待測材料表面，再將YZ 鈮酸鋰晶體放置在叉指電極的上側，二者通過耦合劑進行連接。

3 實驗研究

3.1 實驗系統

圖4 實驗系統圖

為驗證所設計的叉指蘭姆波換能器在特定的頻率下能夠有效地激發和接收特定模態的超聲蘭姆波模式，以1.76 mm 厚的普通鋁板作為實驗試樣，借助于Ritec 5000 SNAP 聲學測量系統，建立了如圖4 所示的超聲蘭姆波實驗測量系統。該系統采用自發自收式進行超聲蘭姆波信號的激發與接收，即:Ritec 5000 SNAP 聲學測量系統輸出一束經Hanning 窗加權的頻率為1.71 MHz、周波數為15 的正弦脈沖信號，經過衰減器、雙工器后傳遞到叉指換能器，通過逆壓電效應激發超聲蘭姆波信號，攜帶有大量檢測信息的回波信號由同一叉指換能器接收，經過放大器后由示波器顯示并存儲。

3.2 實驗結果及分析

采用圖4 所示的測量系統對蘭姆波時域信號在鋁板中傳播的物理過程進行實驗觀察，通過叉指換能器接收到的超聲時域信號如圖5 所示。

圖5 叉指換能器所接收到的蘭姆波時域信號

由圖5 可知，除射頻脈沖電壓的直通部分(直通信號)外，時域信號中存在一個較單純的端面回波信號。根據波速法，計算得到該回波信號的群速度約為2.17 km/s，與圖1(b)中P點所示的蘭姆波S0模式的理論群速度值(2.15 km/s)非常接近(相對誤差為0.93%)。據此認為實驗中所接收到的信號為圖1 中P點對應的S0模式蘭姆波。因此在特定頻率下，利用所設計的叉指蘭姆波換能器可激發并接收單一的S0模態，從而說明這種叉指蘭姆波換能器可實現單模態蘭姆波的激發與接收。

4 結論

為減小固體板中蘭姆波多模式特性對其傳播特性的影響，實現特定頻率下單一模態超聲蘭姆波的激發與接收，設計了一種裝配式的叉指蘭姆波換能器，并將其應用于鋁板的超聲蘭姆波檢測實驗中。實驗結果表明，利用所設計的叉指蘭姆波換能器可實現單一模態超聲蘭姆波的激發與接收。此次研究工作為進一步利用超聲蘭姆波對鋁板無損檢測奠定了基礎，也為其他板類和管狀結構檢測中換能器的設計研究提供一種有益的參考借鑒。