高频聚焦换能器的研制

　　0 引言

　　目前,超声检测是检测复合层连接质量最常用的方法。超声换能器(探头)是超声检测中最关键的部件。为提高对双金属复合层结构内孔检测的成像分辨率、减小超声波在复合材料中的衰减、增强超声波的穿透性等,要求用高灵敏度、高分辨力的高频聚焦换能器。用声程相等的理论来设计超声传感器的聚焦,利用耦合剂和工件声速的不同,把内孔铜层作为传感器的聚焦透镜,研制了用于检测铜/钢双金属转子复合层的主频为8~10 MHz、直径为Á6 mm的水浸式自聚焦换能器。测试探头的性能,并用探头检测复合结构样品。

　　1 超声自聚焦探头的工作原理

　　采用平面压电陶瓷超声换能器检测双金属复合层内孔,在检测中,由于水和铜的声速不同,使得铜层相当于平面换能器的声透镜,达到了聚焦的效果。

　　图1为超声波聚焦到铜和钢界面的示意图。

　　由于声波波长的有限性,导致了声波的衍射,使会聚镜面的曲率中心和在声轴上的波动焦点不同,即焦点的位置并不能按照光学折射定律来计算,而是应按照声程相等的概念进行计算。声程相等,即将换能器表面看成一系列半径不等的圆环声波带,由于2种介质声速不同,所以经不同路径传播的各波带的声波能同相到达焦点处,或相差1/4周期相位内达到焦点[1-3],产生衍射极大,达到聚焦的目的,形成聚焦区附近的聚焦声场分布。按照声程相等概念,得出焦点位置的计算式为

　　式中:d1为压电晶片中心到铜层表面的声程; x为声波经过d1后在钢中折射的声程;d2为压电晶片中点到铜层表面的声程;d为声波经过d2后在钢中折射的声程;c1为水中声速;c2为铜中声速。

　　式(1)左边的声程按照晶片中心发出的声波计算,另一边的声程按照晶片中点处发出的声波计算。

　　针对铜/钢双金属转子检测要设计的超声换能器,由于c1=1500m/s,c2=4400m/s,超声换能器的中心频率为10MHz,晶片的直径为6mm。按照声程相等的概念,代入式(1)可得

　　由此可解得焦距的位置在2.36mm处。若超声波聚焦的焦柱位置刚好在铜和钢的结合层处,换能器对结合层处的信号就最敏感,如果结合处存在分层缺陷,那么这个缺陷信号就会被放大。这样研制出来的换能器对结合层缺陷的信噪比高,符合高灵敏度的要求。

　　2 高频聚焦换能器的设计

　　课题所采用的是压电超声换能器。对于自聚焦探头其结构形式有压电元件和背衬块及前匹配层。选择适合的压电材料,保证换能器高灵敏度和带宽,选取合适的背衬及声阻抗相近的前匹配层保证换能器的窄脉冲,以获得高的分辨力。