用阻抗均匀过渡法研制高分辨力换能器

　　前言

　　超声探伤用换能器(也称超声探头)是超声探伤设备的重要组成部分,是探伤设备的关键组件,其性能好坏直接影响到设备的探伤能力和探伤结果的可靠性。超声探伤用换能器有多项重要指标,如灵敏度、分辨力、声轴线偏斜和回波频率误差等。其中灵敏度和回波频率误差指标较易满足,因为此两项指标主要取决于换能器选用的压电晶片。声轴线偏斜要求越小越好,在换能器加工过程中,只要严格控制好晶片在换能器中的几何位置,此项指标也是可以满足的。分辨力指标虽然也与晶片的性能有关,但高性能的晶片并不等于高分辨力探头,而分辨力又是超声换能器至关重要的性能指标,因此,如何提高换能器的分辨力就成了换能器研制过程中的关键技术。

　　影响换器分辨力的因素很多,除晶片外,换能器内的匹配电路、保护膜等都是重要因素,而最关键也最难解决的则是对晶片背向幅射声能的有效阻尼和吸收问题。为此,我们从理论和实践两方面对这一问题进行了探讨,并得出了较为满意的结果。

　　1 机械阻尼及吸声问题

　　以纵波换能器为例,其结构如图1所示[1]。图中压电晶片和阻尼块的组合体称为探头芯,这是换能器的核心,其性能好坏基本上决定着换能器的性能好坏,其中压电晶片的作用是在外加高频电脉冲的作用下产生高频机械振动,其振动可持续数百甚至数千个周期。以常用的2.5MHz晶片为例,每个周期时间为0.4μs,一千个周期就是400μs,而超声探伤用换能器的纵向分辨力则要求振动周期越少越好,振动时间越短越好。为此就必须对晶片的振动加以有效阻尼,使晶片的振动尽快衰减,阻尼块的主要作用就是对晶片的振动予以阻尼并对晶片背向幅射的声波予以有效吸收。

　　晶片振动时,向前幅射的声波用于对工件进行探伤,向后幅射(也称为背向幅射)的声波进入阻尼块。由声学原理可知,当声波垂直入射于平面分界面上时,反射系数R可由公式(1)表示[2]:

　　式中Zo=poCo,为晶片的特征声阻抗,Zb—阻尼吸声块的声阻抗。我们希望声波进入阻尼块后,不再返回晶片,即声波在阻尼块中被完全吸收,则吸声系数可表示为:

　　从上面的分析可知,要使晶片的振动得到有效阻尼,就应使背向幅射的声波尽可能进入阻尼块,并在阻尼块中被有效吸收而不再返回晶片。从公式(1)可知,当Zb=Zo时,R=O,即当界面处吸声材料的单位面积机械阻抗等于晶片的特征声阻抗时,声压反射系数为零,此时声波全部透入到阻尼吸声块中。从公式(2)可见,此时吸声系数A=1。即声波被全吸收,这里要指出的是,为保证透入阻尼块的声能不再返回晶片,阻尼块内必须有足够大的内损耗,这确是比较难于解决的问题。既要求阻尼块与晶片实现机械阻抗匹配,又要求阻尼块有很强的吸声效果。