超声微粒检测换能器的分析与设计

　　0 引言

　　声波在传播过程中遇到障碍物会产生回波和散射现象,利用这种特性,超声波可用于检测流体中具有与介质不同声阻抗的微小物体的检测.例如,一个很有意义的工业应用就是用于对油液中的污染物或气泡的检测[1,2],另外在食品工业或药品生产中对某些产品的成分检测时运用也较为广泛.其检测对象一般都是微米级的物体,检测目标则是微粒的大概数量(或浓度)以及尺寸分布等.实现上述的检测功能是通过各种型式的超声设备来进行的,而各种超声设备的关键部件是超声波换能器,亦称探头.工业上根据检测对象和场合的不同,通常采用的超声波换能器分为两类:非聚焦型(平面)和聚焦型(凹面).频率范围从几十kHz到几十MHz.但国内外现有资料中至今尚没有报道一种有效用于超声微粒检测的换能器设计理论和性能参数确定的方法.本文从理论分析入手,通过仿真计算分析了两种不同类型、不同尺寸超声波换能器的声场特性,并结合实际应用,研究一种超声微粒检测换能器的设计方法.

　　1 超声波换能器的选型

　　超声波无损探伤中,常用的是活塞式平面超声换能器.假设被检测微粒位于沿活塞中心轴上的声场中(见图1).下面考察其轴向声场的变化规律.

　　设zg= a²λ-λ/4为近远场临界距离,一般近似为ka²/2[3].应用点源组合原理可以得到平面活塞声源声压近场的严格解和远场的近似解:

　　用式(1)可以描述声压振幅随离开活塞中心的距离而变化的规律,如图2(a)所示.近场区声压的极大值与极小值的分布很密集,幅度起伏较大;在远场区,声压随距离反比衰减.如果检测对象位于近场区,由于声压本身有起伏,检测数据将随微粒的位置而变化,这样的检测结果显然不可信.比较适宜的是将检测区放在出现最后一个声压极大值的位置zg处,甚至远场区,而此时由于声程长导致声能衰减,很难保证足够的能量来检测微米级的微粒.显然,活塞式平面超声换能器不适用于流体中的微粒检测.

　　为了检测流体中微米级的颗粒,提高检测分辨率,可以考虑将超声的能量聚集在检测区内,即采用凹球面聚焦换能器.

　　凹球面聚焦换能器的声场可根据惠更斯积分方法求得.建立如图3所示坐标系,设球面由无限多个小面元ds组成,每个小面元都视为一个点声源.假设辐射到观察点F的声波其振幅相等,相位相同,并忽略非线性传播与曲面产生的二次衍射现象.声场中某一点的声压是这些无数个子波叠加的结果.凹球面聚焦超声换能器声压的积分表达式如下[4]:

　　式中:h为面元ds到观察点F的距离.

　　显然上述积分要得到解析式比较困难, O.Neil[5]和Bernard G.[4]所作的相关研究为我们提供了近似解.其声压轴向分布表达式为