小试件材料弹性常数超声测量线聚焦PVDF探头的研制

　　1引言

　　随着各种新型材料的不断涌现，许多材料表现出超常的力学性能。但是，新型材料受特殊的制备工艺所致具有尺寸小、制造成本高等特点，力学性能测试时，无法采用常规的破坏性实验，探索新型的测试方法受到国内外学者的极大关注。本文基于声学显微镜技术，针对小试件材料力学性能测试的特殊需求自行设计开发了一套小试件材料弹性常数超声精密测量系统伙系统利用超声波线聚焦PvDF探头，通过同时测定纵波和表面波波速来表征材料的弹性常数。

　　超声探头(又称超声换能器)作为弹性常数超声测量系统的关键部件，其性能的优劣直接决定测量系统的可行性以及测量结果的准确程度。本系统中所设计的超声波无透镜线聚焦PVDF探头，具有孔径角大、声阻抗易匹配、频带宽、中心频率高等特点，针对不同材料的小试件弹性常数进行测量，取得了满意的测量效果.

　　2线聚焦PVDF探头的设计

　　2.1探头工作原理

　　超声探头的作用是实现超声波的激励和接收，根据材料弹性常数超声测量原理，表征材料的弹性常数，需要同时测定纵波和漏表面波波速，因此，探头激励产生的超声波不仅要在试件表面产生直接反射纵波，同时要产生表面波。根据声学理论，当超声波以瑞利角B射人试件表面，经波型转换可产生表面波，故测量时需采用聚焦探头，考虑到各向异性材料的分析及其应用的需要，本文设计为柱面线聚焦探头。如图1所示，测量时当探头向试件移近，则试件表面偏移焦平面形成散焦，此时，在探头回波电压信号中，不仅可测得直接反射纵波D和底面反射纵波B，而且可测得瑞利角B人射时经波型转换获得的沿试件表面传播，泄露到祸合剂中的漏表面波R.

　　纵波波速根据直接反射回波D和底面反射回波B之间的时间差以及试件的厚度测定。

　　式中:h为试件厚度，(tB-tV。)为底面反射回波与直接反射回波的时间差。漏表面波波速通过漏表面波信号R与直接反射波D到达的时间差△t随散焦距离:之间的线性关系(即斜率　　m=z/Δ t)来确定。

　　式中:CW为水中纵波速度。测量时需连续改变散焦距离z，获得不同散焦距离:时的回波电压信号V(t)曲线，将回波信号叠加，经曲线拟合求取底面反射回波与直接反射回波的时间差(tb-tV)和斜率m，进而，获得纵波波速和漏表面波波速。

　　2.2探头换能元件的选择

　　超声探头实现超声波的激励和接收，本质是实现电能与机械能的转换，换能元件是超声探头最关键的构成部件。压电高分子聚合物聚偏氟乙烯(polyvinylidenenuo-ride，PVDF)的高柔顺性、高压电电压常数、低机械品质因数、性能稳定等优点使其非常适合柱面线聚焦探头的制作。