一種新型的超聲蘭姆波換能器*

劉 暢高廣健陳 瀚鄧明晰

(陸軍勤務(wù)學(xué)院基礎(chǔ)部，重慶 401331)

超聲蘭姆波是一種在板類結(jié)構(gòu)中傳播的超聲導(dǎo)波，它具有傳播速度快，傳播距離遠及幅值衰減小等優(yōu)點[1-2]。由于蘭姆波與整個板材上缺陷產(chǎn)生較強的相互作用，可以攜帶大量檢測所需信息，能夠較好檢測出板材的材料缺陷，故其廣泛用于板類結(jié)構(gòu)缺陷的快速檢測中[3]。

蘭姆波傳播的多模態(tài)性導(dǎo)致不同模態(tài)信號疊加，使其在激發(fā)、傳播、接收以及信號處理方面變得非常復(fù)雜[4]，限制了蘭姆波在結(jié)構(gòu)缺陷檢測中的應(yīng)用。為解決這一問題，超聲導(dǎo)波無損檢測中經(jīng)常使用斜入射式壓電換能器[5-6]和梳狀壓電換能器[7-8]，來實現(xiàn)特定模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)和接收。斜入射式壓電換能器通過選擇不同角度楔形塊和激發(fā)頻率，根據(jù)Snell 定律獲得不同模態(tài)的導(dǎo)波。梳狀壓電換能器通過調(diào)整探頭的間距、壓電片的寬度和對輸入信號進行相位控制，實現(xiàn)板或管道中激發(fā)出特定的導(dǎo)波模態(tài)。

設(shè)計并制作了一種由YZ 鈮酸鋰晶體和叉指電極裝配使用的叉指型超聲蘭姆波壓電換能器，可實現(xiàn)特定頻率下單一模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)與接收，并在鋁板中進行了相應(yīng)的實驗。

1 超聲蘭姆波頻散特性分析

對于給定厚度的板材，在任意頻率下都存在2 種或2 種以上的蘭姆波模式[9]，因此首先需對蘭姆波的頻散特性進行分析。以鋁板為例進行理論和數(shù)值研究，鋁板參數(shù)如表1 所示。對單層鋁板中傳播的超聲蘭姆波進行數(shù)值研究，所得頻散曲線如圖1 所示。

圖1 頻散曲線

表1 待測鋁板材料參數(shù)

在圖1(a)中，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示相速度，斜直線則代表波長。由圖1 可知，可以通過波長和頻率來確定超聲蘭姆波模式，如圖1 中點P所示。需要注意的是相同的波長條件下，所對應(yīng)的超聲蘭姆波模式并不是唯一的，因此還要通過激發(fā)頻率加以控制。

結(jié)合圖1 所示頻散曲線，僅選用S0蘭姆波模式開展相應(yīng)的數(shù)值和實驗研究。擬激發(fā)點P對應(yīng)的S0模式，其對應(yīng)的頻率f＝1.71 MHz，波長λ＝1.90 mm，群速度cg＝2.15 km/s。

2 叉指超聲蘭姆波換能器

擬設(shè)計一種裝配式的叉指蘭姆波換能器，用于激發(fā)和接收單一模態(tài)的超聲蘭姆波，如圖2 所示。它包括銅質(zhì)叉指電極、導(dǎo)線、絕緣薄膜和YZ 鈮酸鋰晶體。在使用該超聲蘭姆波換能器時，只需根據(jù)目標(biāo)超聲蘭姆波模式的信息來更換銅質(zhì)叉指電極、導(dǎo)線和絕緣薄膜，而不需更換鈮酸鋰晶體。

圖2 叉指換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 叉指電極設(shè)計

換能器中主要使用的叉指電極材料包括金、鉑、銅等。銅的密度與金相比較低，延展性適中，足以滿足中低頻的超聲器件要求，且具有價格低、與集成電路工藝兼容等優(yōu)勢。本次選擇銅作為叉指電極材料，所有指條狀銅電極各自由同一連接條連接并蝕刻于基材2 側(cè)構(gòu)成導(dǎo)電層。叉指電極決定了換能器激發(fā)和接收的超聲蘭姆波模式，并影響換能器激發(fā)和接收蘭姆波信號的強度[10]，因此需要對其進行精心的設(shè)計。叉指電極的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其相關(guān)參數(shù)主要包含指條寬度a，周期性排列指條間距L，指條長度h，連接條寬度w和單側(cè)指條數(shù)目n。

圖3 叉指電極結(jié)構(gòu)示意圖

采用矢量和法[11-12]對叉指換能器進行分析與討論，以確定叉指電極的相關(guān)參數(shù)。假設(shè)超聲蘭姆波在傳播時無衰減，且叉指換能器(如圖3 所示)每個指條所激發(fā)/接收到的簡諧超聲蘭姆波的幅值均為A0、相速度和頻率分別記為cP和f。由于叉指換能器指條呈周期性排列，相鄰指條間距為L。根據(jù)波的傳播原理，相鄰指條所接收到的蘭姆波的相位差應(yīng)為θ＝ωτ＝，則整個叉指換能器激發(fā)/接收到蘭姆波后的總信號為各指條輸出信號的和，即:

當(dāng)Δθ＝kπ(k＝1，3，5…)時，總輸出達到最大值:

此時可得到:

即，當(dāng)叉指換能器的指條間距L為目標(biāo)超聲蘭姆波半波長的奇數(shù)倍時，叉指換能器的總輸出將達到最大值，可利用該條件設(shè)計叉指換能器的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)圖1 中P點多對應(yīng)的超聲蘭姆波模式和頻率，分別選取L＝λ/2 ＝0.95 mm，a＝λ/4 ＝0.475 mm，n＝30，h＝49 mm，w＝5 mm。

2.2 壓電材料

常用于超聲換能器的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體以及PVDF 薄膜等[13-14]。一般來說壓電晶體因具有損耗小、可靠性高、重復(fù)性好等特點得到廣泛使用。鈮酸鋰晶體，具有獨特的聲光效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學(xué)藥品污染、易制成任意形狀的片或管狀等優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電子等技術(shù)領(lǐng)域[15]。設(shè)計的叉指超聲蘭姆波換能器擬選用YZ 鈮酸鋰晶體作為壓電基底材料，其長×寬×高分別為60 mm×45 mm×6 mm。

2.3 叉指換能器的安裝

按照前文所述的設(shè)計參數(shù)，對YZ 鈮酸鋰晶體和叉指電極進行了加工，加工精度控制在±100 μm。考慮到換能器測試及后期實際檢測的需要，對叉指電極、導(dǎo)線和絕緣薄膜進行了一體化樣件加工和組裝，即:將厚度為100 μm 的銅質(zhì)叉指電極直接刻蝕在厚度為200 μm 的絕緣薄膜上，導(dǎo)線通過焊接的方式連接在叉指電極上。在叉指換能器的使用過程中，將一體化加工的叉指電極通過耦合劑粘貼到擦洗干凈的待測材料表面，再將YZ 鈮酸鋰晶體放置在叉指電極的上側(cè)，二者通過耦合劑進行連接。

3 實驗研究

3.1 實驗系統(tǒng)

圖4 實驗系統(tǒng)圖

為驗證所設(shè)計的叉指蘭姆波換能器在特定的頻率下能夠有效地激發(fā)和接收特定模態(tài)的超聲蘭姆波模式，以1.76 mm 厚的普通鋁板作為實驗試樣，借助于Ritec 5000 SNAP 聲學(xué)測量系統(tǒng)，建立了如圖4 所示的超聲蘭姆波實驗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自發(fā)自收式進行超聲蘭姆波信號的激發(fā)與接收，即:Ritec 5000 SNAP 聲學(xué)測量系統(tǒng)輸出一束經(jīng)Hanning 窗加權(quán)的頻率為1.71 MHz、周波數(shù)為15 的正弦脈沖信號，經(jīng)過衰減器、雙工器后傳遞到叉指換能器，通過逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲蘭姆波信號，攜帶有大量檢測信息的回波信號由同一叉指換能器接收，經(jīng)過放大器后由示波器顯示并存儲。

3.2 實驗結(jié)果及分析

采用圖4 所示的測量系統(tǒng)對蘭姆波時域信號在鋁板中傳播的物理過程進行實驗觀察，通過叉指換能器接收到的超聲時域信號如圖5 所示。

圖5 叉指換能器所接收到的蘭姆波時域信號

由圖5 可知，除射頻脈沖電壓的直通部分(直通信號)外，時域信號中存在一個較單純的端面回波信號。根據(jù)波速法，計算得到該回波信號的群速度約為2.17 km/s，與圖1(b)中P點所示的蘭姆波S0模式的理論群速度值(2.15 km/s)非常接近(相對誤差為0.93%)。據(jù)此認(rèn)為實驗中所接收到的信號為圖1 中P點對應(yīng)的S0模式蘭姆波。因此在特定頻率下，利用所設(shè)計的叉指蘭姆波換能器可激發(fā)并接收單一的S0模態(tài)，從而說明這種叉指蘭姆波換能器可實現(xiàn)單模態(tài)蘭姆波的激發(fā)與接收。

4 結(jié)論

為減小固體板中蘭姆波多模式特性對其傳播特性的影響，實現(xiàn)特定頻率下單一模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)與接收，設(shè)計了一種裝配式的叉指蘭姆波換能器，并將其應(yīng)用于鋁板的超聲蘭姆波檢測實驗中。實驗結(jié)果表明，利用所設(shè)計的叉指蘭姆波換能器可實現(xiàn)單一模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)與接收。此次研究工作為進一步利用超聲蘭姆波對鋁板無損檢測奠定了基礎(chǔ)，也為其他板類和管狀結(jié)構(gòu)檢測中換能器的設(shè)計研究提供一種有益的參考借鑒。