超声相控阵技术第三部分探头和超声声场

　　1　换能器材料

　　1.1　主要问题

　　上世纪70年代后期和80年代中期,大量应用相控阵技术遇到的一项主要技术问题是:换能器压电阵列元件(简称阵元)的制造工艺和阵元之间的声绝缘。阵元间的串扰声振幅高,以及曲面晶片的切割难度大,曾一度阻碍了相控阵在工业上的应用和发展。常用的压电材料及其特性如表1所示。

　　压电应变常数与压电电压常数之积(d33g33)数值大,可提高发射-接收能量;机械品质因数Q值小,可增大带宽,提高轴向分辨力。当探头与被检试件声阻抗匹配时,传输给试件的声能量达到最大值。实际应用中,有的要求用水浸法,有的要求探头与试件(铝或钢等)直接接触。焊缝检验大多要求用装在斜楔上的相控阵探头进行横波或纵波检测。探头楔块与试件间的声阻抗匹配可通过机械(匹配层)或电子(用KLM模式细调)方法获得。

　　1.2　匹配层及电缆

　　匹配层的关键性要求有:使机械能传输最佳,考虑对脉冲宽度的影响,考虑对压电晶片的接触保护(防磨损),匹配层厚度取K/4。当探头与发射器和接收器电阻抗匹配时,电效率最高。KLM模式[6]考虑了电子信号传输途中的所有步骤。电缆的关键性要求有:使电缆长度引起的增益损失最小,选用低阻抗——理想值为508,设法消除或减小电缆反射(电缆速度取2/3光速),机械强度高、耐弯曲、耐压力、耐偶然跌落,所有芯线能抗水,避免内部芯线扭曲。

　　1.3　阻尼材料

　　压电晶片背面的阻尼材料能增大带宽值。其关键特性为:对晶片表面反射返回的高幅回波有衰减效应,对脉冲持续时间(脉冲宽度)有阻尼作用。

　　1.4　压电复合结构

　　压电复合材料是在上世纪80年代中期,主要是在美国研制出来的,目的是提高生物医学中超声成像分辨率。

　　换能器用压电复合材料由1-3型结构组成。它由一系列定向均布的压电棒插在环氧树脂中构成(图1)。插在聚合树脂中的压电陶瓷有一维连通性(即朝试件单向振动),而聚合物则有三维连通性。例如,锆钛酸铅(PZT)与不同的聚合树脂结合,所具d33g33值要比单纯的多晶体材料高得多(表2)。

　　1-3型压电复合材料的特性可由史密斯有效介质理论模型和有限单元模型导出(图1)。基于X(1)向相关场量应等于Y(2)向相关常量的假设,可算出压电材料的主要特性参数:纵向机电耦合系数kt、纵向声速v13(图2)、纵向有效特性阻抗[Z13] (图3)。

　　1-3型压电复合探头的优点:横向振动很弱,串扰声压常小于-34dB～40dB;机械品质因数Q值低(图4);带宽大(80%～100%);机电耦合系数值大;灵敏度高,信噪比优于普通PZT探头;加工费马非球面聚焦相控阵探头和形状复杂的探头,仅需简易的切块和充填技术;在较大温度范围内特性稳定;易于改变声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数(因这些参数相关于陶瓷材料的体积率);易与声阻抗不同的材料匹配(从水到钢);可减少多重匹配层的需求;制作费用与等效的多探头系统相仿;在相控阵探头窗孔(长度)范围内,可通过陶瓷体积率的变化,调节超声灵敏度。