水浸宽带聚焦超声探头的研制

　　水浸超声波探头是应用于水浸超声波无损检测的超声波换能器.在检测中为了提高缺陷检测的分辨率,可以采用宽带、聚焦的探头.其中宽频带探头可以提高缺陷检测的纵向分辨率,即沿声束传播方向的最小分辨尺寸;而聚焦声束可以提高缺陷检测的横向分辨率,即平行于探头扫描平面(探测面)的最小分辨尺寸.采用现有的制作工艺,利用平面晶片可以制作宽频带的超声探头[1,2],或利用球面晶片制作聚焦的超声波探头,但是往往很难同时满足宽频带和聚焦声束的要求.本文作者从研究探头背衬和声透镜的制作方法以及电路匹配入手,通过多次试验,利用平面晶片研制出水浸宽带聚焦超声波探头.

　　1 探头制作工艺

　　1.1 背衬制作

　　超声波探头中的背衬有两个主要用途:其一是与晶片进行匹配,减少晶片振荡的次数,从而提高探头的频带宽度;其二是吸收晶片背向发射的声波,减少探头固有杂波,提高探伤的可靠性.为了得到比较理想的宽频带探头,一般要使背衬的声阻抗达到晶片声阻抗的2/3[3].常用的PZT或PT材料的晶片声阻抗为28x10⁶~31x10⁶kg.m^-2s^-1,因此背衬的声阻抗应该达到20x10⁶kg.m^-2s^-1左右.背衬通常采用钨粉与环氧树脂混合物制作而成.利用常规方法制作这种背衬,其声阻抗只能达到10x10⁶kg.m^-2s^-1左右,采用挤压法制作出声阻抗为23.0x10⁶~25¹¹x106kg.m^-2s^-1的高阻抗背衬块[1].在本文中,为了得到高阻抗、高吸收的背衬,在挤压法的基础上做了进一步的改进,即增大背衬的厚度.具体的方法是降低环氧树脂的浓度和提高所加压力的大小使制作的背衬块的密度大于0.01kg.cm^-3.试验表明,用于制作晶片直径为20mm的探头,背衬的高度应大于20mm.其次,把背衬的一面加工成V字型的沟槽,可大大提高背衬对声波的吸收,在试验中发现加工的V字型夹角在80b左右可满足高吸收的要求.试验制作的背衬样品如图1(a)所示.

　　1.2 探头制作

　　首先粘接背衬与晶片.粘接时,使用由环氧树脂与二乙烯三胺制成的粘接剂.该粘接剂的黏度要低,以保证粘接层厚度小于波长的1%[2].背衬与晶片粘接牢固后,再焊接电极,然后把背衬、晶片和电极固定在探头壳中.

　　声透镜的制作是采用浇注的方法,把按一定比例混合均匀的细钨粉、环氧树脂和固化剂压混合物浇注在晶片表面上,再用球面压块压上.当钨粉、环氧树脂和固化剂压混合物固化成型后,去掉压块便可制得声透镜.钨粉、环氧树脂和固化剂的比例对制成探头的焦距有一定的影响,而对带宽和聚焦效果影响较小.声透镜的厚度会影响探头的匹配频率.试验发现,声透镜厚度越小,匹配频率越高.因此,为了得到与晶片标称频率接近的探头,应尽量减小声透镜的厚度.最后,可以通过并联电感调整探头的振荡波形和频率.制作的水浸宽带聚焦探头的结构如图2所示.