材料表面缺陷檢測用空氣耦合超聲換能器的研制

張 浩，趙 旭，曾 濤

(上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

空氣耦合超聲無損檢測技術是一種以空氣為傳輸介質的新型無損檢測技術，具有非接觸、非侵入、完全無損的特點，在復合材料檢測、紡織品檢測、食品及藥品檢測、表面特性分析和成像等領域有著良好的應用前景[1-3]。空氣中的聲速遠小于其他材料中的聲速，在相同的工作頻率下，超聲波在空氣中具有更短的波長，使得應用空氣耦合超聲無損檢測技術進行材料表面缺陷檢測時具有更高的精度。

超聲換能器主要用于發(fā)射和接收超聲波信號，實現(xiàn)電聲轉換，換能器性能的好壞將直接影響材料檢測的準確度[4]。相對于靜電式超聲換能器，壓電超聲換能器具有機電轉換效率高、聲功率輸出大、對環(huán)境適應性強、結構緊湊等優(yōu)點，因此應用更為廣泛[5]。

目前壓電式空氣耦合超聲換能器制作的主要困難在于壓電材料聲阻抗(約30 MRayl)與空氣聲阻抗(約425 Rayl)之間的嚴重失配引起的換能器激勵的超聲波只有少部分能量傳導到空氣中[1,6-9]。為解決這個問題，應選用低聲阻抗的匹配層材料來實現(xiàn)阻抗過渡，通過匹配技術來提高換能器的靈敏度[10]。對于單匹配層結構的空氣耦合換能器，匹配層的理論最佳聲阻抗為0.11 MRayl左右，但在現(xiàn)實生活中很難得到加工性能和聲阻抗均滿足要求的材料。較為常用的匹配層材料有多孔聚丙烯、聚氨酯、硅橡膠和硅氣凝膠等，這些材料具有高孔隙率和低聲阻抗的特性[11-13]，同時具有衰減大、難加工、無法黏接、不耐壓等缺點，因此并不是首先的匹配層材料[5]。

筆者選用空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂復合材料作為聲匹配層，采用1/4波長匹配原理制作了200 kHz中心頻率的單匹配層空氣耦合超聲換能器樣品。其導納譜測試結果滿足單匹配層匹配原理，回波測試結果顯示其具有較好的帶寬和靈敏度。

1 匹配層材料制備與測試

1.1 匹配層制備

空心玻璃微珠是一種粒徑均勻、顆粒微小、密度低、中空的圓球狀玻璃材料粉末，具有較低的聲阻抗特性。商用的玻璃微珠粒徑為1～500 mm，材料的密度為100～600 kg·m-3，具有質量小，導熱系數(shù)低，分散性、流動性、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是一種較為理想的超輕質填充材料。E51環(huán)氧樹脂黏度低、熱穩(wěn)定性好、耐高溫、耐高電壓、抗漏電，對碳纖維和玻璃纖維等材料具有優(yōu)異的潤濕能力。文章選用E51環(huán)氧樹脂為基體，空心玻璃微珠為主填料，鄰苯二甲酸二辛酯增塑劑等為輔料，通過調節(jié)玻璃微珠的直徑與填充率，制備滿足空氣耦合式換能器需求的匹配層材料。采用澆鑄法制備匹配層材料，將一定配比的填料與基體攪拌均勻后置于恒溫箱中靜置待固化[14-15]。制備的試塊外觀如圖1所示。

圖1 空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂制成的匹配層試塊外觀

1.2 匹配層材料聲學參數(shù)測量

匹配層材料的聲學參數(shù)主要包括密度、聲速、聲阻抗和聲衰減系數(shù)等。聲速可通過測量試件的長度及在此長度內聲波傳播所需要的聲時計算得到。文章使用Panametrics 5072PR信號源連接一個頻率為2.25 MHz的縱波換能器探頭，通過脈沖回波法得到的第一次和第二次底面回波的時間差來計算材料的縱波聲速。

對于2N

式中:α為材料中單聲程的衰減系數(shù)；Vm為試樣第m次底面回波幅值；Vn為試樣第n次底面回波幅值。

通過多次試驗測量空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂復合材料樣品的密度、聲速和衰減系數(shù)。目前實驗室得到性能穩(wěn)定的材料密度為550 kg·m-3，聲速為2 300 m·s-1，聲阻抗為1.3 MRayl，衰減系數(shù)(2.25 MHz下)為344 dB·m-1。

2 換能器制作及測試

選用實驗室研制的空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂復合材料作為匹配層材料，采用1/4波長匹配原理制作了200 kHz中心頻率的單匹配層結構的空氣耦合超聲換能器，實物如圖2所示。

圖2 空氣耦合式超聲換能器實物

使用Agilent E4990A型精密阻抗分析儀測試換能器的電學性能，得到換能器在空氣中的輸入導納曲線(見圖3)。從圖3可以看出，換能器的第一階諧振頻率為190 kHz，對應電導為2.46 mS，第二階諧振頻率為225 kHz，對應電導為4.39 mS，滿足單匹配層的匹配原理。

圖3 空氣耦合式超聲換能器的輸入導納曲線

進一步進行了以亞克力板為反射體的換能器脈沖回波方式的空氣耦合測試。使用的信號源型號為Panametrics 5072PR、示波器型號為Tektronix 3022。換能器距離亞克力板60 mm，信號源的激勵條件為 Energy 1 ，Damping 1，接收回波施加增益50 dB。測試結果及其頻譜如圖4所示，(圖中204 kHz為中心頻率，21.0%為-6 dB相對帶寬)。

圖4 空氣耦合式超聲換能器的回波信號及其頻譜

3 結論

為解決壓電材料與空氣之間巨大的阻抗失配問題，將空心玻璃微珠填入環(huán)氧樹脂中，制備出匹配層材料。在此基礎上制作了空氣耦合式超聲換能器，測試結果顯示所研制的空氣耦合超聲換能器具有較好的靈敏度和帶寬，可用于材料表面缺陷的檢測。