表面波天线与压电陶瓷换能器在超声导波信号接收中的效果比较

    在有界介质中,当介质的几何尺寸与声波的波束宽度及波长可比时,由于边界的影响,在介质中只允许一些满足边界条件的特定振动方式的声波传播,即超声导波。固体中的超声导波一般有纵波、切变波、弯曲波和扭转波等。在固体介质自由表面层或两种固体介质分界面附近的超声导波,称为表面波,如瑞利波就是一种常用的表面波。由于这种新兴的超声导波技术检测范围大、检测效率高等特点,已广泛应用于板、管和杆等结构的无损检测^[1]。

　　在利用超声导波对结构进行检测时,压电换能器是一种较常用的超声导波激励接收传感器。在使用压电陶瓷片作为换能器时,由于其结构和材料的特性,除了可以激励和接收导波外,同时还可作为一种微带天线生成表面波。由于压电效应和逆压电效应的共同作用,微带天线可以实现电磁波和表面波的相互转换。因此,在超声导波检测试验中,也可以通过表面波天线方式接收压电陶瓷片激励出的电磁波信号,实现对板、管和杆等结构的检测。与传统的接收方式相比,该方式具有非接触、接收信号强以及使用更加灵活等特点。

　　1　表面波天线

　　当微带天线基片的相对介电常数>1时,基片中便会有表面波存在。表面波沿着结构表面传播,场强随离开表面的距离呈指数衰减,而在沿表面方向仍以exp( jβx)传播。它在空气-介质分界面处发生全反射,而后又被接地板反射,在基片中传播,最终到达基片边缘,被边缘散射。在介质外,该表面波的场强迅速衰减,因此能量主要集中在介质附近。随着微带基片厚度和介质介电常数的增加,天线的表面波将急剧增加。这种电磁波能够沿着介质表面传播,一旦遇到介质材料的不连续处,电磁波将向空间辐射^{[2, 3]。}

　　表面波也可以在开放结构中传播,这种结构通常被称为介质天线或介质杆^[4]。开放结构与终端开路的金属波导口辐射电磁波类似,终端开路的表面波波导也可以辐射电磁波。表面波沿波导传输到终端后形成一个等效的辐射“口径”,该等效口径在端射方向辐射电磁波,由此构成的天线称为表面波天线。两种不同的介质交界面、分层平面和分层柱状结构的表面都会出现表面波。并且任何表面波波导都可以构成表面波天线^[5]。压电陶瓷片与所检测结构通过耦合剂耦合,因此产生于压电陶瓷片中的表面波可以传播到这些结构中,并且在传播过程中向空间辐射。由于表面波属于行波^[6],大部分行波天线(如轴向模螺旋天线、长导线和介质杆等)都可以接收空间中的表面波。笔者拟采用螺旋天线作为接收天线。