材料表面缺陷檢測(cè)用空氣耦合超聲換能器的研制

張 浩，趙 旭，曾 濤

(上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

空氣耦合超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種以空氣為傳輸介質(zhì)的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有非接觸、非侵入、完全無(wú)損的特點(diǎn)，在復(fù)合材料檢測(cè)、紡織品檢測(cè)、食品及藥品檢測(cè)、表面特性分析和成像等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景[1-3]?？諝庵械穆曀龠h(yuǎn)小于其他材料中的聲速，在相同的工作頻率下，超聲波在空氣中具有更短的波長(zhǎng)，使得應(yīng)用空氣耦合超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行材料表面缺陷檢測(cè)時(shí)具有更高的精度。

超聲換能器主要用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，換能器性能的好壞將直接影響材料檢測(cè)的準(zhǔn)確度[4]。相對(duì)于靜電式超聲換能器，壓電超聲換能器具有機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、聲功率輸出大、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用更為廣泛[5]。

目前壓電式空氣耦合超聲換能器制作的主要困難在于壓電材料聲阻抗(約30 MRayl)與空氣聲阻抗(約425 Rayl)之間的嚴(yán)重失配引起的換能器激勵(lì)的超聲波只有少部分能量傳導(dǎo)到空氣中[1,6-9]。為解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)選用低聲阻抗的匹配層材料來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗過(guò)渡，通過(guò)匹配技術(shù)來(lái)提高換能器的靈敏度[10]。對(duì)于單匹配層結(jié)構(gòu)的空氣耦合換能器，匹配層的理論最佳聲阻抗為0.11 MRayl左右，但在現(xiàn)實(shí)生活中很難得到加工性能和聲阻抗均滿足要求的材料。較為常用的匹配層材料有多孔聚丙烯、聚氨酯、硅橡膠和硅氣凝膠等，這些材料具有高孔隙率和低聲阻抗的特性[11-13]，同時(shí)具有衰減大、難加工、無(wú)法黏接、不耐壓等缺點(diǎn)，因此并不是首先的匹配層材料[5]。

筆者選用空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為聲匹配層，采用1/4波長(zhǎng)匹配原理制作了200 kHz中心頻率的單匹配層空氣耦合超聲換能器樣品。其導(dǎo)納譜測(cè)試結(jié)果滿足單匹配層匹配原理，回波測(cè)試結(jié)果顯示其具有較好的帶寬和靈敏度。

1 匹配層材料制備與測(cè)試

1.1 匹配層制備

空心玻璃微珠是一種粒徑均勻、顆粒微小、密度低、中空的圓球狀玻璃材料粉末，具有較低的聲阻抗特性。商用的玻璃微珠粒徑為1～500 mm，材料的密度為100～600 kg·m-3，具有質(zhì)量小，導(dǎo)熱系數(shù)低，分散性、流動(dòng)性、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的超輕質(zhì)填充材料。E51環(huán)氧樹脂黏度低、熱穩(wěn)定性好、耐高溫、耐高電壓、抗漏電，對(duì)碳纖維和玻璃纖維等材料具有優(yōu)異的潤(rùn)濕能力。文章選用E51環(huán)氧樹脂為基體，空心玻璃微珠為主填料，鄰苯二甲酸二辛酯增塑劑等為輔料，通過(guò)調(diào)節(jié)玻璃微珠的直徑與填充率，制備滿足空氣耦合式換能器需求的匹配層材料。采用澆鑄法制備匹配層材料，將一定配比的填料與基體攪拌均勻后置于恒溫箱中靜置待固化[14-15]。制備的試塊外觀如圖1所示。

圖1 空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂制成的匹配層試塊外觀

1.2 匹配層材料聲學(xué)參數(shù)測(cè)量

匹配層材料的聲學(xué)參數(shù)主要包括密度、聲速、聲阻抗和聲衰減系數(shù)等。聲速可通過(guò)測(cè)量試件的長(zhǎng)度及在此長(zhǎng)度內(nèi)聲波傳播所需要的聲時(shí)計(jì)算得到。文章使用Panametrics 5072PR信號(hào)源連接一個(gè)頻率為2.25 MHz的縱波換能器探頭，通過(guò)脈沖回波法得到的第一次和第二次底面回波的時(shí)間差來(lái)計(jì)算材料的縱波聲速。

對(duì)于2N

式中:α為材料中單聲程的衰減系數(shù)；Vm為試樣第m次底面回波幅值；Vn為試樣第n次底面回波幅值。

通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樣品的密度、聲速和衰減系數(shù)。目前實(shí)驗(yàn)室得到性能穩(wěn)定的材料密度為550 kg·m-3，聲速為2 300 m·s-1，聲阻抗為1.3 MRayl，衰減系數(shù)(2.25 MHz下)為344 dB·m-1。

2 換能器制作及測(cè)試

選用實(shí)驗(yàn)室研制的空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為匹配層材料，采用1/4波長(zhǎng)匹配原理制作了200 kHz中心頻率的單匹配層結(jié)構(gòu)的空氣耦合超聲換能器，實(shí)物如圖2所示。

圖2 空氣耦合式超聲換能器實(shí)物

使用Agilent E4990A型精密阻抗分析儀測(cè)試換能器的電學(xué)性能，得到換能器在空氣中的輸入導(dǎo)納曲線(見圖3)。從圖3可以看出，換能器的第一階諧振頻率為190 kHz，對(duì)應(yīng)電導(dǎo)為2.46 mS，第二階諧振頻率為225 kHz，對(duì)應(yīng)電導(dǎo)為4.39 mS，滿足單匹配層的匹配原理。

圖3 空氣耦合式超聲換能器的輸入導(dǎo)納曲線

進(jìn)一步進(jìn)行了以亞克力板為反射體的換能器脈沖回波方式的空氣耦合測(cè)試。使用的信號(hào)源型號(hào)為Panametrics 5072PR、示波器型號(hào)為Tektronix 3022。換能器距離亞克力板60 mm，信號(hào)源的激勵(lì)條件為 Energy 1 ，Damping 1，接收回波施加增益50 dB。測(cè)試結(jié)果及其頻譜如圖4所示，(圖中204 kHz為中心頻率，21.0%為-6 dB相對(duì)帶寬)。

圖4 空氣耦合式超聲換能器的回波信號(hào)及其頻譜

3 結(jié)論

為解決壓電材料與空氣之間巨大的阻抗失配問(wèn)題，將空心玻璃微珠填入環(huán)氧樹脂中，制備出匹配層材料。在此基礎(chǔ)上制作了空氣耦合式超聲換能器，測(cè)試結(jié)果顯示所研制的空氣耦合超聲換能器具有較好的靈敏度和帶寬，可用于材料表面缺陷的檢測(cè)。