冻土纵、横波复合宽带超声换能器系列研制

　　1 前言

　　近30年来,冻土工程的弹性力学特性已获得许多国内外学者的深入研究[1,2].因超声法具有快速、简便、高效、准确及无损性,故这种方法广泛地在冻土弹性波力学特性测定中被推广应用[3,4].众所周知,冻土若是均匀、各向同性介质,则其力学强度与其声速特性有确定性关系.近年来,随着压电材料与信息处理学科的飞速发展,新颖纵、横波超声换能器不断出现[5],为冻士声速精确测定奠定了基础.本文首次利用1-3型压电复合材料及2-2型压电复合材料,成功研制了专门适合冻土测量用250kHz、500kHz和1MHz系列的纵波、横波复合宽带超声换能器,这种系列换能器具有灵敏度及波形转换效率高、频带宽,声阻抗低的特点.文中介绍了它的原理、结构及特性.并在日产UVM-2型声循环仪[6]上(与我国现有的国产SYC型系列的岩石声波探测仪(最小分辨率只有0.1μs)相比,具有延时测量精度高(在声循环次数为104时,最小显示位数为0.01ns)以10ps的延时时间精度,用500kHz换能器精确测定了不同含水量、不同负温下冻结兰州黄土的纵、横波声速.

　　2 冻土纵、横波宽带换能器的压电材料

　　2.1 1-3型压电PZT/环氧复合纵波换能材料

　　1-3型/PZT/环氧复合宽带压电材料,具有较高的压电系数d33,高的机电耦合系数kt,较小的声阻抗特性及低的机械Qm值,它是宽带超声换能器的理想压电晶堆[7].本设计采用了一种PZT小柱非周期性均匀分布的1-3型压电复合晶片[8].这种晶片更有效地消除了因PZT小柱周期性分布而伴随产生的有害横向结构共振模式,获得了振型模式十分单纯的纵波厚向振动压电晶片.其物理和声学特性如表1、表2所示.

　　2.2 2-2型压电复合宽带横波换能材料

　　2-2型压电复合宽带横波换能材料,是用PZT材料作为骨架,用环氧树脂作为填充物,制作出厚度切变振动2-2型复合压电晶片[9].这种材料的声学特性如表3所示.

　　3 纵、横波宽带换能器设计

　　3.1 冻土用1-3型宽带纵波换能器设计

　　3.1.1 结构

　　换能器结构如图1所示.

　　根据压电体平板型标准梅森机电等效图[9],有厚度谐振中心频率:

　　式中:ρp为1-3型复合晶堆密度; SE33为相应柔性常数; Cp为晶堆厚度向声速(见表1); t为晶堆厚度.

　　3.1.2 宽带特性

　　换能器的机械Qm值,是决定通频带宽度的关键指标,Qm值越低,瞬态时间波形越简单,越有利于提高超声检测精度.

　　式中:M=ρpts0/2为等振质量;为等效机械损耗阻值; Rr=ρrcrs0为冻土试样的辐射阻值,s0为晶堆辐射有效面积,ρrCr为冻土试样声阻抗率.