CN106475296B - 一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，包括：压电片(1)、第一匹配层(2)、第二匹配层(3)、换能器外壳(4)、后盖板(5)和接口(6)；所述的压电片(1)、第一匹配层(2)、第二匹配层(3)沿超声波信号发射方向依次排列于换能器外壳(4)内，所述的第一匹配层(2)采用空心玻璃微珠粉末(9)和环氧树脂(8)混合后固化而成的圆形片状结构，所述的第二匹配层(3)采用微孔发泡聚合物制成的圆形片状结构，所述第一匹配层(2)和第二匹配层(3)的直径与压电片(1)相同。上述换能器通过采用多层匹配层设计，合成与声阻抗适合的由不同多孔材料制作的匹配层，极大地提高了空耦换能器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，具体涉及一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器。
背景技术
非接触超声检测技术具有非接触、非侵入、安全无害的特点(参考文献：常俊杰,卢超,小仓幸夫.非接触空气耦合超声检测原理及应用研究[J].无损探伤,2013,04:6-11.)，该技术克服了传统的超声检测技术中对耦合剂的依赖，适用于对耦合剂敏感的多种检测场合，同时避免了换能器在移动时的磨损，适用于快速大面积扫查的检测场合，是无损检测技术发展的新方向。
常见的非接触超声检测技术包括激光超声、电磁超声和空气耦合超声检测技术(参考文献：周正干,魏东.空气耦合式超声波无损检测技术的发展[J].机械工程学报,2008,06:10-14.)，与前二者相比，空气耦合超声检测技术具有设备简单、环境要求低、应用材料不受限的优点，因此具有更加广泛的应用前景。
空气耦合超声压电换能器的灵敏度主要受到三个因素的制约：超声波在空气中的衰减、超声波在气固界面的强反射、超声换能器的转换效率。为了研制高灵敏度的空耦换能器，需要解决的核心问题就是压电片和空气之间的阻抗严重不匹配问题。举例来说，常规的PZT压电陶瓷的声阻抗为30MRayl，而空气的声阻抗为420Rayl，二者之间的声压透射系数仅为0.003％，能够由压电片直接向空气中辐射出去的声能十分有限。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决现有的空气耦合超声压电换能器存在着压电片和空气之间阻抗严重失匹的技术问题，提供一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，该换能器一方面从压电片入手，采用声阻较低的1-3型复合材料代替传统的PZT陶瓷材料，另一方面采用多层匹配层设计，合成与声阻抗适合的由不同多孔材料制作的匹配层，极大提高空耦换能器的灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，该换能器包括：压电片、第一匹配层、第二匹配层、换能器外壳、后盖板和接口。所述的压电片、第一匹配层、第二匹配层沿超声波信号发射方向依次排列于换能器外壳内，所述压电片通过其两侧设置的电极所引出的导线与接口连通，所述的接口通过换能器外壳末端覆盖的后盖板固定于换能器外壳上，该接口外接超声波电源；所述的第一匹配层采用空心玻璃微珠粉末和环氧树脂混合后固化而成的圆形片状结构，所述的第二匹配层采用微孔发泡聚合物制成的圆形片状结构。所述第一匹配层和第二匹配层的直径与压电片相同。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的压电片采用1-3型复合材料制成，所述的1-3型复合材料由均匀排列的压电柱和环氧树脂填充构成，该压电片的厚度取超声波信号中心频率对应的二分之一波长，其直径为30mm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一匹配层和第二匹配层的厚度均取超声波信号中心频率对应的四分之一波长。
作为上述技术方案的进一步改进，所述空心玻璃微珠粉末的直径为10μm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的微孔发泡聚合物为微孔发泡聚丙烯、微孔发泡聚氨酯或微孔发泡聚偏二氟乙烯。
本发明的一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器优点在于：
本发明的换能器采用空气耦合超声检测技术，与常规超声检测技术相比，无需耦合剂的使用，大大拓宽了应用范围；采用空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料和微孔发泡聚合物的双层匹配层设计，通过匹配层厚度和声阻抗参数的设计，显著提高了厚度模压电空耦换能器的灵敏度，改变匹配层的厚度参数，或者改变匹配层的材料，能够对空耦换能器的中心频率、灵敏度和带宽进行相应的调整和有针对性的优化设计。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器剖面图。
图2a是本发明中的1-3型复合材料压电片的结构侧视图。
图2b是本发明中的1-3型复合材料压电片的结构俯视图。
图3是本发明中采用空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料制成的第一匹配层的结构示意图。
图4是本发明中采用微孔发泡聚合物制成的第二匹配层的SEM图像。
附图标记
1、压电片 2、第一匹配层 3、第二匹配层
4、换能器外壳 5、后盖板 6、接口
7、压电柱 8、环氧树脂 9、空心玻璃微珠粉末
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于双匹配层的厚度模压电空耦换能器进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，包括：压电片1，第一匹配层2，第二匹配层3，换能器外壳4，后盖板5和接口6。所述的压电片1、第一匹配层2、第二匹配层3沿超声波信号发射方向依次排列于换能器外壳4内，所述压电片1通过其两侧设置的电极所引出的导线与接口6连通，所述的接口6通过换能器外壳4末端覆盖的后盖板5固定于换能器外壳4上，该接口6外接超声波电源；所述的第一匹配层2采用空心玻璃微珠粉末9和环氧树脂8混合后固化而成的圆形片状结构，所述的第二匹配层3采用微孔发泡聚合物制成的圆形片状结构，所述第一匹配层2和第二匹配层3的直径d与压电片1相同。
基于上述结构的厚度模压电空耦换能器，在本实施例中，所述的压电片1优选是1-3型复合材料压电片，压电片1、第一匹配层2、第二匹配层3为同轴设置的薄圆片，相互之间可采用环氧树脂胶水粘接。所述的压电片1两端可设置镀铜电极，并引出导线与接口6连接。采用声阻抗合适的空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料，配合微孔发泡聚丙烯、微孔发泡聚氨酯、微孔发泡聚偏二氟乙烯等材料，制作双层匹配层的压电空耦换能器，通过匹配层的优化设计，极大提高空耦换能器的灵敏度。
下面给出一个中心频率为700kHz的双匹配层结构的空气耦合超声压电换能器的例子：
所述空气耦合超声压电换能器的压电片为1-3型复合材料制成，其声阻为10MRayl，厚度为2mm，直径为30mm。压电片1厚度取超声波信号中心频率对应的二分之一波长，按照公式(1)计算。
其中，hp表示压电片1的厚度，cp表示压电片1的纵波声速，f表示超声波信号的中心频率，λp表示超声波信号中心频率的波长。
压电片直径的选择需要考虑到对径向模式的抑制，应当保证径向模式和厚度振动模式不互相干扰，两个模式的振动峰在频谱上不产生相交区域。
如图2所示，1-3型复合材料压电片由均匀排列的压电柱7和环氧树脂8填充构成。压电相在厚度方向连通，环氧树脂相在x、y、z三个方向全部连通。由W A Smith的分析方法，改变压电陶瓷柱的体积分数，可以调整1-3型复合材料的密度和声速。
第一匹配层为空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料，其厚度为1mm。第一匹配层厚度取超声波信号中心频率对应的四分之一波长，按照公式(2)计算。
其中，h1表示第一匹配层厚度，c1表示第一匹配层的纵波声速，f表示超声波信号的中心频率，λ1表示超声波信号中心频率的波长。
第一匹配层的最优选声阻为0.3MRayl，按照公式(3)计算。实际情况中，由于恰好满足声阻条件的材料不一定存在，因此，第一匹配层的声阻选取条件可以适当放宽至0.3-1MRayl。
其中，Z1表示第一匹配层的声阻，Zp表示压电片的声阻，Za表示空气的声阻。
如图3所示，空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料由直径10μm的空心玻璃微珠粉末9和环氧树脂8混合后固化而成，是一种闭孔的多孔材料。通过改变空心玻璃微珠粉末9的体积比，可以调整空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的密度和声速；改变空心玻璃微珠粉末的直径，通过声波在空心玻璃微珠表面的散射作用，可以改变材料的衰减系数。
第二匹配层为微孔发泡聚丙烯薄膜，其厚度为100μm。第二匹配层的厚度同样取超声波信号中心频率对应的四分之一波长，按照公式(4)计算，即：
其中，h2表示第二匹配层厚度，c2表示第二匹配层的纵波声速，f表示超声波信号的中心频率，λ2表示超声波信号中心频率的波长。
第二匹配层的最优选声阻为0.01MRayl，按照公式(5)计算。在实际情况中，由于该最优选声阻值过小，难以合成相应材料，在现有技术手段允许的情况下尽量靠近该数值即可，第二匹配层的声阻选取条件可以适当放宽至0.01MRayl-0.1MRayl。
其中，Z2表示第二匹配层的声阻，Zp表示压电片的声阻，Za表示空气的声阻。
如图4所示，微孔发泡聚合物可为微孔发泡聚丙烯、微孔发泡聚氨酯、微孔发泡聚偏二氟乙烯等材料，是一种开孔纤维状多孔材料，骨架材料为聚合物，一般通过超临界二氧化碳挤出法制备。对其声学性能深入的分析可以借助Biot理论完成，根据发泡程度的不同，改变聚合物相的体积比，可以调整微孔发泡聚合物的密度、声速、衰减系数。
所述的换能器外壳和后盖板可为常规塑料材料制成，接头为常规电信号接头。压电片两端设置镀铜电极并引出导线后连接接头，外接常规超声信号源。
下面对插入单层匹配层后的声压透射系数进行理论计算。声波透射进入匹配层，在匹配层中经过若干次反射后透射进入空气中，由于匹配层设计为四分之一波长，而且在压电片-匹配层界面反射时存在反相，所以直接透射和材料内部多次反射的声波同相叠加。总的声压透射系数由公式(6)计算，即：
其中，T表示插入单层匹配层后的总的声压透射系数，下标1和2分别表示该匹配层左右两侧的界面，Tp表示声波垂直入射该界面时的声压透射系数，由公式(7)给出；Rp表示声波垂直入射界面时的声压反射系数，由公式(8)给出。l表示匹配层厚度，α表示材料衰减系数，e表示自然对数。对于双层或多层匹配层的声压透射系数，可以按照该方法分别计算每层的声压透射系数之后相乘，得到所有匹配层叠加后的声压透射系数。
其中，z1、z2表示插入的单层匹配层两侧介质的声阻。
根据上述声压透射系数计算公式可知：改变匹配层的厚度、声速、密度和衰减系数，可以对声压透射系数进行调整，即可以灵活调整灵敏度、中心频率和带宽。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，包括：压电片(1)、第一匹配层(2)、第二匹配层(3)、换能器外壳(4)和接口(6)；其特征在于,所述换能器还包括：后盖板(5)；所述的压电片(1)、第一匹配层(2)、第二匹配层(3)沿超声波信号发射方向依次排列于换能器外壳(4)内，所述压电片(1)通过其两侧设置的电极所引出的导线与接口(6)连通，所述的接口(6)通过换能器外壳(4)末端覆盖的后盖板(5)固定于换能器外壳(4)上，该接口(6)外接超声波电源；所述的第一匹配层(2)采用空心玻璃微珠粉末(9)和环氧树脂(8)混合后固化而成的圆形片状结构，所述的第二匹配层(3)采用微孔发泡聚合物制成的圆形片状结构，所述第一匹配层(2)和第二匹配层(3)的直径与压电片(1)相同。
2.根据权利要求1所述的基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，其特征在于，所述的压电片(1)采用1-3型复合材料制成，所述的1-3型复合材料由均匀排列的压电柱(7)和环氧树脂(8)填充构成，该压电片(1)的厚度取超声波信号中心频率对应的二分之一波长，其直径为30mm。
3.根据权利要求2所述的基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，其特征在于，所述第一匹配层(2)和第二匹配层(3)的厚度均取超声波信号中心频率对应的四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，其特征在于，所述空心玻璃微珠粉末(9)的直径为10μm。
5.根据权利要求1所述的基于双匹配层结构的厚度模压电空耦换能器，其特征在于，所述的微孔发泡聚合物为微孔发泡聚丙烯、微孔发泡聚氨酯或微孔发泡聚偏二氟乙烯。
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| CN106475296A (zh) | 2017-03-08 |
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