壓電空氣耦合超聲換能器制備優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

董方旭，周鑫翊，劉發(fā)付，凡麗梅，高華昀，竇占明，段 劍，姜?jiǎng)倭?，張海?/p>

(1.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，山東 濟(jì)南 250031；2.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所，內(nèi)蒙古 包頭 014000；4.中國(guó)振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550018；5.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

超聲檢測(cè)作為一種無(wú)損檢測(cè)手段，利用超聲波對(duì)物體表面和內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)[1-2]。該技術(shù)在醫(yī)療、新能源、多孔材料、食品、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用較廣[3-4]。傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)需要在換能器和被測(cè)物體間涂覆耦合劑，耦合劑的存在可能對(duì)某些待測(cè)物體造成損傷和污染[5]。因此，一種以空氣為耦合介質(zhì)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)技術(shù)利用空氣作為超聲波傳播的介質(zhì)，擁有完全非接觸，非侵入的優(yōu)點(diǎn)，適用于食品、藥品等不適合接觸式超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊[6]。

目前空氣耦合超聲換能器分為電容式與壓電式兩類[7]。壓電式由于造價(jià)低，性能穩(wěn)定，已被廣泛應(yīng)用。但壓電式空氣耦合超聲換能器由于壓電元件和空氣間存在嚴(yán)重的聲阻抗失配，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超聲波能量的有效傳輸，降低了換能器的探測(cè)性能[8]。為了實(shí)現(xiàn)壓電元件與空氣聲阻抗匹配,常用的方法有制備1-3型壓電復(fù)合元件與在換能器前端添加匹配層。Smith等[9]基于Newnham的串并聯(lián)理論，構(gòu)建1-3型壓電復(fù)合材料等效本構(gòu)方程，推導(dǎo)出的1-3型壓電復(fù)合材料換能器在性能上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。劉大康[10]制備的1-3型壓電復(fù)合陣列有效地降低了壓電陶瓷片的聲阻抗，厚度機(jī)電耦合系數(shù)kt增大，平面機(jī)電耦合系數(shù)kp減小。王曉彧等[4]使用空心玻璃微珠/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料與微孔發(fā)泡材料制作空氣耦合壓電換能器用雙層匹配層，實(shí)現(xiàn)匹配層聲阻抗為0.03～1.40 MRayl，提升了換能器性能；Chao Zhong等[11]使用壓電復(fù)合材料和λ/4(λ為波長(zhǎng))匹配理論進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，得到匹配層的厚度為λ/4時(shí)，換能器擁有較寬的帶寬。

目前空氣耦合換能器匹配層制備通常是將空心玻璃微珠溶于具有一定流動(dòng)性的樹(shù)脂中，并通過(guò)抽真空方式進(jìn)行除泡，這種方法使固化后匹配層的密度較高且存在氣孔。因此，本文對(duì)匹配層制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用手工擠壓方式制備匹配層，增大匹配層中空心玻璃微珠含量，有效地降低了匹配層密度，減少了匹配層中的氣孔。本文制備空氣耦合超聲換能器具體流程如下：使用COMSOL對(duì)空氣耦合超聲換能器進(jìn)行了有限元分析，設(shè)計(jì)了工作頻率為400 kHz的空氣耦合超聲換能器，該頻率下，超聲波能較好地兼顧穿透性與成像分辨率，在無(wú)損檢測(cè)(如金屬探傷、鋰電池檢測(cè)等)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。選用較低粘度樹(shù)脂優(yōu)化真空除泡工藝制備1-3型壓電復(fù)合元件，以及優(yōu)化匹配層來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電元件與空氣聲阻抗的調(diào)配。對(duì)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)域測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，自制空氣耦合超聲換能器的帶寬、靈敏度與插入損耗等指標(biāo)優(yōu)于部分商用產(chǎn)品，證明采用本文制備工藝制備的1-3型壓電復(fù)合元件和匹配層對(duì)空氣耦合超聲換能器聲阻抗有較理想的調(diào)配結(jié)果，且據(jù)此制備的空氣耦合換能器有較好的性能。

1 1-3型壓電復(fù)合超聲換能器的有限元分析

本文使用COMSOL軟件對(duì)空氣耦合超聲換能器進(jìn)行了有限元分析，模擬了1-3型壓電復(fù)合元件中陶瓷相體積分?jǐn)?shù)φ對(duì)壓電元件阻抗譜的影響。同時(shí)還模擬了壓電陶瓷柱寬高比與壓電元件特征頻率的關(guān)系。

圖1(a)、(c)分別為1-3型壓電復(fù)合元件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 空氣耦合換能器的1-3型壓電復(fù)合元件的有限元模擬結(jié)果

由圖1(b)可知，隨著壓電陶瓷柱寬高比的降低，1-3型壓電復(fù)合元件特征頻率逐步下降，壓電陶瓷柱寬高比約為0.38時(shí)，1-3型壓電復(fù)合元件特征頻率為400 kHz。1-3型壓電復(fù)合元件的φ與阻抗關(guān)系如圖1(d)所示。當(dāng)φ=0.7～0.9時(shí)，壓電元件所需工作頻率(400 kHz)處于壓電元件諧振與反諧振頻率之間，換能器在工作頻率擁有較好的性能。

基于模擬結(jié)論與加工設(shè)備的客觀條件，本文設(shè)計(jì)PZT-4制備1-3型壓電復(fù)合元件的φ=0.89，壓電陶瓷柱尺寸為2 mm ×2 mm ×5.2 mm(壓電陶瓷柱寬高比為0.385)，其在400 kHz的工作頻率擁有較好的性能。

2 空氣耦合超聲換能器的制備

本文按照有限元模擬所設(shè)計(jì)陣列尺寸對(duì)陶瓷片進(jìn)行切割，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸制備的1-3型壓電復(fù)合元件如圖2(a)、(b)所示。將低粘型環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑按質(zhì)量比4∶1混合，攪拌均勻，在55 ℃真空環(huán)境下保持12 h,使其固化，得到無(wú)氣泡的1-3型壓電復(fù)合元件。

圖2 1-3型壓電復(fù)合元件、匹配層及換能器實(shí)物圖

本文選擇常用的環(huán)氧樹(shù)脂+空心玻璃微珠制備匹配層。先將環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑混合均勻(質(zhì)量比4∶1)，再加入一定體積分?jǐn)?shù)的空心玻璃攪拌均勻，最后采用真空與超聲方式除泡。該方法需要固化前的匹配層有一定流動(dòng)性，難以使空心玻璃微珠在樹(shù)脂中達(dá)到溶解極限,使匹配層的密度最小，進(jìn)一步降低匹配層的聲阻抗。因此，本文將環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑∶空心玻璃微珠按質(zhì)量比4∶1∶5進(jìn)行配置，并使空心玻璃微珠在環(huán)氧樹(shù)脂中達(dá)到溶解極限，手工擠壓溶解玻璃微珠的樹(shù)脂以去除樹(shù)脂中的氣孔。最后將樹(shù)脂壓入硅膠模具中固化形成匹配層。對(duì)兩種方法制備的匹配層材料進(jìn)行分析，其密度、聲速與聲阻抗如表1所示。由表可看出，改進(jìn)工藝制備的匹配層聲阻抗降低，能更好地調(diào)配壓電元件與空氣的聲阻抗差異，提升換能器性能。

表1 匹配層材料物理參數(shù)表

匹配層厚度根據(jù)λ/4經(jīng)典理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，匹配層的實(shí)物如圖2(c)、(d)所示。此外，本文為獲得較好的靈敏度，選用空氣作為換能器背襯，圖2(e)為封裝好的空氣耦合超聲換能器實(shí)物。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 1-3型壓電復(fù)合元件性能

本文對(duì)壓電陶瓷切割前及與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合再次極化后的壓電常數(shù)(d33)和阻抗進(jìn)行測(cè)試分析。d33測(cè)試結(jié)果如圖3(a)所示。由圖可知，PZT-4壓電陶瓷復(fù)合再次極化后的壓電常數(shù)相比壓電陶瓷切割前有小幅降低，復(fù)合后壓電元件的壓電常數(shù)改變，可能是由于極化工藝不同導(dǎo)致。對(duì)PZT-4壓電陶瓷復(fù)合前后的阻抗進(jìn)行測(cè)試，阻抗結(jié)果如圖3(b)、(c)所示。由圖可知，經(jīng)1-3型復(fù)合后的壓電陶瓷的諧振與反諧振峰明顯減少，表明樹(shù)脂能有效地抑制1-3型壓電復(fù)合元件除厚度振動(dòng)模態(tài)的其他振動(dòng)模態(tài)，使厚度振動(dòng)更純粹。

圖3 壓電陶瓷切割前與壓電陶瓷1-3型復(fù)合后d33與阻抗圖

對(duì)比圖3(b)、(c)觀察到對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行1-3型復(fù)合，使其壓電元件帶寬增加。由圖3(c)還可看出，換能器所需工作頻率(400 kHz)處于壓電元件諧振與反諧振頻率之間能得到較好的發(fā)射與接收性能，壓電元件設(shè)計(jì)符合要求。

3.2 空氣耦合常數(shù)換能器的測(cè)試

本文使用空氣耦合超聲檢測(cè)儀(PRACUT-111)對(duì)制備的換能器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試裝置如圖4所示。測(cè)試中，首先使用商用400K 28N-T(R)作為發(fā)射與接收換能器，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益，在發(fā)射頻率400 kHz、激發(fā)電壓20 V下測(cè)試得到接受信號(hào)的時(shí)域圖，如圖5(a)所示。再使用自制的PZT-4空氣耦合超聲換能器作為接收換能器，用商用的400K 28N-T(R)作為發(fā)射換能器，對(duì)信號(hào)相同增益，測(cè)試頻率400 kHz、激發(fā)電壓10 V時(shí)得到自制換能器的接收時(shí)域圖，如圖5(b)所示。對(duì)兩時(shí)域圖進(jìn)行分析確定了自制換能器性能效果。最后，使用信號(hào)發(fā)生器(RIGOL DG5102)與示波器(Agilent MSO-X 3034A)在無(wú)增益情況下測(cè)試自制換能器的靈敏度(SNS)或雙程插入損耗。

圖4 空氣耦合超聲換能器測(cè)試系統(tǒng)

圖5 空氣耦合超聲換能器時(shí)域圖

圖5中商用換能器信號(hào)采集時(shí)域范圍為0～0.8 μs，自制的PZT-4換能器信號(hào)采集時(shí)域范圍為0～0.3 μs，兩種換能器都在信號(hào)采集時(shí)域范圍0.1～0.15 μs區(qū)間接收到回波信號(hào)。自制換能器接收信號(hào)時(shí)域范圍約為0.035 μs，相較于商用換能器0.05 μs更窄，表明自制換能器擁有更寬的帶寬(BW)。由圖5還可看出，自制換能器的峰-峰值電壓約為1.12 V，而商用換能器的峰-峰值電壓約為1.38 V，但自制換能器激勵(lì)電壓僅為商用換能器的一半，可以得到自制的換能器較商用產(chǎn)品擁有更好的靈敏度及更低的損耗。用示波器測(cè)試得到自制換能器的靈敏度或雙程插入損耗為-38 dB，在同類產(chǎn)品中性能較好[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

空氣耦合換能器作為非接觸式無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的核心設(shè)備之一，在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。本文使用COMSOL軟件模擬了壓電元件的陶瓷相體積分?jǐn)?shù)與陶瓷柱寬高比對(duì)換能器阻抗譜、特征頻率的影響。通過(guò)制備1-3型壓電復(fù)合元件與優(yōu)化環(huán)氧樹(shù)脂+空心玻璃微珠匹配層的方式調(diào)節(jié)壓電元件與空氣間聲阻抗，制備了工作頻率400 kHz的空氣耦合超聲換能器。自制換能器在工作頻率時(shí)擁有較純的厚度振動(dòng)模態(tài)，較寬的帶寬，靈敏度與雙程插入損耗為-38 dB，表明自研工藝制備的空氣耦合超聲換能器具有優(yōu)良的性能與巨大的應(yīng)用潛力。