多匹配层空气耦合压电超声换能器*

该文针对超声无损检测与成像功能空气耦合换能器开展了分析计算和研制。为解决压电材料与空气间巨大的阻抗失配问题,进行了多匹配层设计,并基于有限元技术仿真设计了1-3压电复合材料参数。借助复数压电方程,导出考虑损耗的多匹配层压电复合材料换能器厚度振动等效电路,获得其等效导纳,以此计算电导谱,同时基于有限元技术数值计算相应电导谱,二者有较好的一致性。在此基础上分别设计制作复合压电材料,多匹配层材料以及由此构成的空气耦合超声换能器。换能器的实测电导谱与数值仿真结果一致。进一步的换能器回波信号测试及其谱分析结果表明,所研制的160 k Hz中心频率空气耦合换能器样品有较好灵敏度和带宽。这些结果说明,该文研制的空气耦合超声换能器的初样是成功的。     

空气耦合超声检测复合材料研究综述

复合材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模量、耐腐蚀等优异性能,广泛应用于飞机机翼、导弹外壳、航空发动机壳体等部位。制造和服役过程中各类缺陷影响复合材料的力学性能和服役性能,必须采用有效的方法准确检测和评估复合材料中各类缺陷。空气耦合式超声检测具有完全非接触、非侵入、无损伤和无需耦合剂的特点,能够很好地运用于复合材料的在线和在位检测。该文就近年来空气耦合超声检测技术的研究现状进行了系统综述,简明扼要地分析和介绍了当前空气耦合超声检测的研究热点及进展,重点介绍了1-3型压电复合材料换能器、信号处理技术、相控聚焦式空气耦合超声检测、超声在复合材料的传播特性及其与缺陷交互作用的研究现状,探讨了空气耦合超声无损检测技术与仪器的发展方向,总结了目前空气耦合超声检测的研究热点问题,最后展望了空气耦合超声检测的发展趋势和应用前景。     

电磁超声探伤实验

无损检验对于保证和提高产品质量有着十分重要的作用。自三十年代初超声探伤出现以来,无损检验工作中所使用的超声波大都是用压电换能器获得的。为了把超声波传入被检验材料中去,必须有声耦合介质,比如油、水或其他耦合介质。接触法要求材料表面清洁且需达到一定的光洁度,探伤速度慢而且不经济;水浸法对于提高探伤速度和适应检验表面粗糙的材料具有许多优越性,但也存在不少缺点,特别是由于压电换能器的压电晶体居里点的限制及耦合介质的限制,所以对高温材料的检验很难实现。涡流探伤虽然解决了超声探伤中声耦合介质的问题,但是它只能检验材料的表面及近表面缺陷,不能检验材料的中心缺陷。     

一种高灵敏压电平面水声换能器

设计并制作了一种高灵敏压电平面水声换能器。该换能器敏感元件是对1-3-2型压电复合材料结构的改进,即在带基底的压电陶瓷小柱阵列间不注入聚合物,并在其上表面直接覆盖金属板,构成“带基底的压电小柱阵列+金属盖板”结构敏感元件(称为“空气填充型”敏感元件)。对“空气填充型”敏感元件的谐振频率进行了理论计算和有限元仿真,与实测结果较吻合。为便于对比性能,同时制作了同尺寸“1-3-2型压电复合材料+金属盖板”结构敏感元件(称为“聚合物填充型”敏感元件)换能器。分别对“空气填充型”和“聚合物填充型”敏感元件换能器的有效机电耦合系数、发送电压响应和接收灵敏度进行有限元仿真和实测,结果均显示,“空气填充型”敏感元件换能器具有较高的接收灵敏度,相较于“聚合物填充型”敏感元件换能器可提高21 dB。该敏感元件换能器能有效提高灵敏度,可为研制高灵敏换能器提供参考。      

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器*

高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一,为了探究其在水声换能器领域的应用潜力,该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据仿真结果优化结构尺寸,制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明,铌酸钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为35kHz,最大发送电压响应为 151dB,声源级可达 190dB,在 26kHz~67kHz 的频率范围内发送电压响应的起伏不超过±4.5dB,谐振频率处-3dB 的指向性开角约为 76°。该无铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能,有望推动无铅压电材料在水声换能器领域的应用进程。     

功率型压电陶瓷的分类及研究进展综述

功率型压电材料是大功率换能器及压电变压器等的核心功能材料,广泛应用于声纳系统、超声检测、振动控制及其它机电设备等。尽管其组成和制备方法与其他压电材料类似,但特定的使用目的对功率型压电材料提出了特殊的综合性能要求。本文基于对功率型压电陶瓷材料组成的分类归纳,综述了该材料的性能特点、国内外研究进展,并对现存问题和应用前景进行了论述。     

厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展*

厚度模压电超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号间转换的载体,是超声成像与检测系统的核心器件,一般由压电层、匹配层和背衬层3部分组成。超声换能器的性能一定程度上决定着整体超声设备的性能,影响了其在工业、医学、军事等领域的应用。该换能器的关键性能指标(带宽、灵敏度)除了受到压电层的影响,还与匹配层、背衬层等无源声学材料的设计密切相关。该文综述了近年来厚度模压电超声换能器无源声学材料(匹配层、背衬层和声透镜)的研究进展,提出了当前该类材料面临的难题和解决途径,并对其未来发展方向进行了展望。     

车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统研究*

针对火车车轮检测中常规超声波探伤存在的检测灵敏度低、声束灵活性差、信噪比低等问题,研究了超声相控阵在火车车轮轮辋检测中的应用。本文介绍了超声相控阵检测技术的原理,并从超声相控阵换能器、硬件系统和软件系统三个方面阐述了火车车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统的研究过程。最后通过人工模拟缺陷的相控阵检测实验,测试了该检测系统的性能,验证了相控阵检测设备具有灵敏度高、声束可控性好和可靠性高等优点。     

车轮轮辋的超声相控阵检测研究

针对火车车轮检测中常规超声波探伤存在的检测灵敏度低、声束灵活性差、信噪比低等问题,研究了超声相控阵在火车车轮轮辋检测中的应用。该文介绍了超声相控阵检测技术的原理,并从超声相控阵换能器、硬件系统和软件系统三个方面阐述了火车车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统的研究过程。最后通过人工模拟缺陷的相控阵检测实验,测试了该检测系统的性能,验证了相控阵检测设备具有灵敏度高、声束可控性好和可靠性高等优点。     

压电换能器阻抗匹配技术研究

超声测距传感器是由压电换能器及其收、发电路所组成的，其中压电换能器的阻抗特性直接影响着超声测距传感器的性能。为提高超声波回波信号的强度，扩大超声测距传感器的作用距离，对压电换能器的阻抗特性进行了分析与测试，设计了压电换能器的阻抗匹配电路，并进行了实验验证。     

Improving the air coupling of bulk piezoelectric transducers with wedges of power-law profiles: A numerical study

An air-coupled ultrasonic transducer is created by bonding a bulk piezoelectric element onto the surface of a thick plate with a wedge of power-law profile. The wedge is used to improve the ultrasonic radiation efficiency. The power-law profile provides a smooth, impedance-matching transition for the mechanical energy to be transferred from the thick plate to the air, through the large-amplitude flexural waves observed in the thinnest region of the wedge. The performance of the proposed transducer is examined numerically and compared to that of a design where the piezoelectric element is isolated and where it is affixed to a thin plate of uniform thickness. The numerical analysis is first focused on the free-field radiation of the transducers. Then, time-reversal experiments are simulated by placing the transducers inside a cavity of arbitrary shape with some perfectly reflecting boundaries. In addition to time-reversal mirrors, the proposed concept could be integrated in the design of phased arrays and parametric arrays.     

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。     

空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料匹配层空耦式压电换能器

研制了一种厚度模空耦式压电换能器,使用综合考虑材料衰减系数和声阻抗的空耦式压电换能器电力声等效电路理论模型以指导匹配层结构设计和材料选择,选用新型的空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料作为声匹配材料,优化设计电阻抗匹配及结构参数。该换能器中心频率为510 kHz,-6 dB频域相对带宽为25.4%,插入损耗为-27 dB。结果表明,使用新型低衰减系数的闭孔复合材料单匹配层设计的该换能器不仅保证了高灵敏度,同时简化了换能器结构,为空耦式压电换能器研制提供了新思路。      

Ultrasonic imaging using air-coupled P(VDF/TrFE) transducers at 2 MHz

A reflection non-contact ultrasonic microscope system working both in amplitude and phase difference modes at 2 MHz has been developed using an air-coupled concave transducer made of piezoelectric polymer films of poly(vinylidene fluoride/trifluoroethylene) [P(VDF/TrFE)]. The transducer is composed of three 95 μm-thick P(VDF/TrFE) films stacked together, each of which is activated electrically in parallel by a driving source. The transducer has a wide aperture angle of 140° and a focal length of 10 mm. The measured two-way transducer insertion loss is 80 dB at 1.83 MHz. Despite 20 dB higher insertion loss than that estimated from Mason’s equivalent circuit, we have obtained clear amplitude acoustic images of a coin with transverse resolution of 150 μm, and clear phase difference acoustic images of the rough surface of a paper currency bill with depth resolution of sub-micrometer. Using two planar transducers of P(VDF/TrFE), we have also successfully measured in through-transmission mode the sound velocity and absorption of a 3 mm-thick silicone-rubber plate. The present study proves that, owing to its low acoustic impedance and flexibility, P(VDF/TrFE) piezoelectric film is very useful for high frequency acoustic imaging in air in the MHz range.     

基于有限元的空耦超声相控阵Lamb波激发与检测

基于非接触式空气耦合超声换能器的无损检测技术在常规板材、纤维复合材料、层状结构材料、粘接界面等的检测中有了长足的发展。但是因为空气耦合超声本身的限制,对于如何提高空气声换能器的发射效率和接收灵敏度、提高检测中接收的信噪比成为这一领域的重要课题。因此有必要结合最新的信号处理技术探索新的无损检测形式。本文通过提出了基于电容式的空气声换能器阵列的构建和制作方法,应用有限元数值方法对一维线阵的空气声换能器阵列的动态偏转特性进行了模拟,并使用构建流固耦合模型对二维的空气声场及板材中的位移场进行计算。通过一维空气耦合相控阵的声束动态偏转激励了各向同性板中的Lamb波A₀ 和S₀模式,并进行了分析,验证了此模型可以进一步用于基于空气耦合相控阵激励的Lamb波的无损检测中。     

Study on the high power air-coupled ultrasonic compound transducer

The high power air-coupled compound ultrasonic transducer in flexural vibration is studied. The transducer consists of a sandwich longitudinal piezoelectric transducer and a circular thin plate in flexural vibration. The resonance frequency equation and the equivalent circuit of a circular radiator with clamped boundary condition are derived. The resonance frequency equation and the equivalent circuit of the compound transducer are also obtained. The radiated acoustic field of the circular thin plate radiator is analyzed and the directional pattern is calculated. It can be seen that when the vibrational order of the circular thin plate in flexural vibration is increased, the radiated acoustic field becomes complex.     

Ferroelectret non-contact ultrasonic transducers

Dielectric and electromechanical properties of the cellular polypropylene ferroelectret films (EMFIT), combining strong piezoelectric response with a low density and softness, evidence their high potential for the air-coupled ultrasonic applications. The disadvantage of the low coupling factor is compensated by the extremely low acoustic impedance, which provides excellent matching to air and promises efficient sound transmission through the air–transducer interface. The influence of the electrodes on the electromechanical properties was investigated. Electron beam evaporation technology was adapted to the EMFIT films, and films with both-sided Au and Al electrodes were prepared without reducing or suppressing of the electromechanical properties. Finally, prototype transducers based on the EMFIT films were developed. In spite of the simple construction and absence of matching layers, high sensitivity of the EMFIT transducers was proved in the air-coupled ultrasonic experiment. Amplitude and delay time scanned images of the polyethylene step wedge with holes, obtained in both pulse-echo and transmission modes, demonstrate that non-contact ultrasonic imaging and testing with EMFIT transducers is possible. PACS 43.35.+d; 43.38.+n; 43.35.Zc; 43.38.-p     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。