评定复合材料的超声换能器的研制

　　前言

　　近二十多年来,先进的纤维增强型复合材料在新材料结构中异军突起,获得了广泛的应用,在航空、航天等工业领域中的发展势头更为迅猛。由于纤维增强型复合材料的各向异性,在检测过程中会出现许多与金属材料不同的特点。为了检测复合材料中的缺陷,评价复合材料性能,使用的无损检测方法包括超声检测、射线检测、光学检测、声振检测、微波检测等。在这些方法中,超声检测技术被公认为是最有用和最能被接受的方法[1,2]。

　　1 换能器要求

　　由于纤维增强型复合材料是各向异性的非均匀材料,纤维束和层状结构使超声波产生多层散射,对超声波的衰减特别大[3],穿透材料很困难,要求超声波具有较强的穿透性;另外多层散射使超声波穿过试件时出现许多回波。因而,要把缺陷与噪声(非缺陷回波)区别开来是困难的,要求检测用换能器灵敏度高。在检测小缺陷时,需要高的分辨率,而较高的分辨率是与较高的频率相联系的,但频率越高,超声波在复合材料中的衰减越严重,这是一个使检测人员矛盾的难题。综上所述,复合材料的超声检测对换能器提出非常高的要求。只有使用脉冲窄、灵敏度和分辨率高的换能器才能穿透复合材料,了解缺陷和组织的微观状态,从而完成其内部结构的评价。

　　2 压电换能器的等效电路和暂态特性分析

　　图1为研究薄片换能器的模型[4],假定晶片沿Z轴纯模式振动,其相应的Mason等效电路如图2所示。

　　如图1所示,压电体的压电本构方程:

　　式中,S3晶片在“3”方向上的变变;

　　E3晶片在“3”方向上的电场强度;

　　D3晶片在“3”方向上的电位移矢量;T3晶片在“3”方向上的应力;

　　β^T₃₃在应力恒定时,晶片在“3”方向上的倒介电常数;

　　s^D₃₃电位移恒定时,晶片在“3”反向上的弹性柔顺系数;

　　g33晶片在“3”方向上的压电电压常数。

　　由牛顿第二定律建立波动方程为

　　在压电晶片内部,电场E是恒量,即div.D=0,故得波动方程

　　由边界条件Z=0时,F=F1,ζ=Fζ;Z=1时,F=F2,ζ=ζ2;当考虑介质损耗时,可得出下列联立解:

　　式中:

　　F1,F2——分别为作用在晶片两极化面的力;

　　V3——加在晶片上的外电压;

　　C0——晶片的静电容;

　　Q,C1——分别是晶片的密度和纵波声速;

　　S——晶片的有效极化面积;