基于聲程相似的雙金屬復(fù)合層超聲換能器的研究

基于聲程相似的雙金屬復(fù)合層超聲換能器的研究

0高頻聚焦換能器目前，超聲檢測是檢測復(fù)合層連接質(zhì)量最常用的方法。超聲換能器(探頭)是超聲檢測中最關(guān)鍵的部件。為提高對雙金屬復(fù)合層結(jié)構(gòu)內(nèi)孔檢測的成像分辨率、減小超聲波在復(fù)合材料中的衰減、增強(qiáng)超聲波的穿透性等,要求用高靈敏度、高分辨力的高頻聚焦換能器。用聲程相等的理論來設(shè)計(jì)超聲傳感器的聚焦,利用耦合劑和工件聲速的不同,把內(nèi)孔銅層作為傳感器的聚焦透鏡,研制了用于檢測銅/鋼雙金屬轉(zhuǎn)子復(fù)合層的主頻為8～10MHz、直徑為6mm的水浸式自聚焦換能器。測試探頭的性能,并用探頭檢測復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品。1聲程等同,換能器表面起球計(jì)算;一個(gè)波采用平面壓電陶瓷超聲換能器檢測雙金屬復(fù)合層內(nèi)孔,在檢測中,由于水和銅的聲速不同,使得銅層相當(dāng)于平面換能器的聲透鏡,達(dá)到了聚焦的效果。圖1為超聲波聚焦到銅和鋼界面的示意圖。由于聲波波長的有限性,導(dǎo)致了聲波的衍射,使會聚鏡面的曲率中心和在聲軸上的波動焦點(diǎn)不同,即焦點(diǎn)的位置并不能按照光學(xué)折射定律來計(jì)算,而是應(yīng)按照聲程相等的概念進(jìn)行計(jì)算。聲程相等,即將換能器表面看成一系列半徑不等的圓環(huán)聲波帶,由于2種介質(zhì)聲速不同,所以經(jīng)不同路徑傳播的各波帶的聲波能同相到達(dá)焦點(diǎn)處,或相差1/4周期相位內(nèi)達(dá)到焦點(diǎn),產(chǎn)生衍射極大,達(dá)到聚焦的目的,形成聚焦區(qū)附近的聚焦聲場分布。按照聲程相等概念,得出焦點(diǎn)位置的計(jì)算式為式中:d1為壓電晶片中心到銅層表面的聲程;x為聲波經(jīng)過d1后在鋼中折射的聲程;d2為壓電晶片中點(diǎn)到銅層表面的聲程;d為聲波經(jīng)過d2后在鋼中折射的聲程;c1為水中聲速;c2為銅中聲速。式(1)左邊的聲程按照晶片中心發(fā)出的聲波計(jì)算,另一邊的聲程按照晶片中點(diǎn)處發(fā)出的聲波計(jì)算。針對銅/鋼雙金屬轉(zhuǎn)子檢測要設(shè)計(jì)的超聲換能器,由于c1=1500m/s,c2=4400m/s,超聲換能器的中心頻率為10MHz,晶片的直徑為6mm。按照聲程相等的概念,代入式(1)可得由此可解得焦距的位置在2.36mm處。若超聲波聚焦的焦柱位置剛好在銅和鋼的結(jié)合層處,換能器對結(jié)合層處的信號就最敏感,如果結(jié)合處存在分層缺陷,那么這個(gè)缺陷信號就會被放大。這樣研制出來的換能器對結(jié)合層缺陷的信噪比高,符合高靈敏度的要求。2前匹配層的制備課題所采用的是壓電超聲換能器。對于自聚焦探頭其結(jié)構(gòu)形式有壓電元件和背襯塊及前匹配層。選擇適合的壓電材料,保證換能器高靈敏度和帶寬,選取合適的背襯及聲阻抗相近的前匹配層保證換能器的窄脈沖,以獲得高的分辨力。2.1換能器中心頻率頻率的高低對探傷有較大的影響。為提高對缺陷成像的分辨率,要求換能器本身有較高的縱向和橫向分辨率。這里假定要求是能檢測1mm標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量以上的缺陷,并能定位缺陷的準(zhǔn)確位置。系統(tǒng)的縱向分辨率式中:c為超聲波在介質(zhì)中的縱波聲速;N為振蕩周期數(shù);f0為換能器中心頻率。按照實(shí)際制作的換能器,振蕩周期N為3～4,銅中的聲速4400m/s,要求的縱向分辨率d1≤1mm,可計(jì)算出換能器中心頻率大于6.6MHz。橫向分辨率式中:a為換能器的半徑;z為離換能器表面距離。按照銅聲速來算,要求dL≤1mm,可計(jì)算換能器中心頻率在5MHz以上。綜合縱、橫向分辨率及信號靈敏度的要求,將要制作的換能器中心頻率設(shè)定為8～10MHz。選用壓電材料PbTiO3做厚度方向的振子可得到近似的純模態(tài)。根據(jù)頻率與壓電片的厚度關(guān)系式PT材料的縱波聲速cl=4240m/s,根據(jù)式(5)可得,f=10MHz時(shí),PT壓電片厚為0.212mm。2.2聲阻抗的確定聚焦探頭背襯的設(shè)計(jì)與制作,關(guān)鍵是成分的配比及制作工藝,須根據(jù)探頭設(shè)計(jì)時(shí)所選用的晶片、聲透鏡材料的聲阻抗來調(diào)制其配方,最終使背襯材料的聲阻抗與晶片、聲透鏡的聲阻抗匹配。材料的聲阻抗是密度與聲速的乘積,通過改變材料密度的辦法,可調(diào)節(jié)其聲阻抗。界面聲強(qiáng)反射率為式中:R為聲強(qiáng)反射率;Z1為壓電晶片聲阻抗;Z2為背襯聲阻抗。由式(6)可知,當(dāng)Z1=Z2時(shí),聲強(qiáng)反射率為0,背襯的吸收效果最好,但這不易達(dá)到,實(shí)際操作中一般要使背襯的聲阻抗達(dá)晶片聲阻抗的2/3。PT晶片聲阻抗為32.8×105g/(cm2·s),因此背襯的聲阻抗應(yīng)達(dá)22.5×106kg/(m2·s)。本設(shè)計(jì)中背襯材料采用環(huán)氧鎢粉,即用鎢粉作為填料摻入環(huán)氧樹脂,經(jīng)固化后形成的一種材料。此時(shí)環(huán)氧鎢粉材料的聲速約為2500m/s,對于10MHz的聲波,其波長為0.25mm,因此背襯的厚度應(yīng)超過2.5mm。在實(shí)際制作中,背襯厚度一般大于3mm。3能源設(shè)備的生產(chǎn)和性能測試3.1聚焦換能器設(shè)計(jì)探頭的性能和優(yōu)劣既取決于探頭設(shè)計(jì)是否合理,又取決于探頭的加工與裝配技術(shù)。因而,探頭的加工和裝配技術(shù)很重要。按照上述方法設(shè)計(jì)完后,就可制作高頻聚焦換能器了。其步驟為:1)對少許晶片進(jìn)行性能測試,然后綜合各項(xiàng)性能挑選出10片較理想,并編好號。在晶片上表面焊上電極引線作正極接發(fā)射電路,將延遲塊與金屬外殼直接相連作接地的負(fù)極。3)按設(shè)計(jì)配置好背襯材料后,可用于灌制背襯。灌制時(shí)將晶片及探頭需固定好,不能把晶片位置弄歪、壓斷或壓歪電極引線(以防引起短路)。4)加工10個(gè)內(nèi)徑為6mm的銅棒,將探頭放入其中,然后用蠟封住避免它受潮及短路,整個(gè)探頭的制作過程就結(jié)束了。3.2更換換能器的性能測試3.2.1設(shè)備TektronixTDS3032b型示波器5077PR型信號發(fā)生器,耦合劑為水,銅/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)試塊,如圖2所示。3.2.2探針回波頻率實(shí)驗(yàn)中,分別對10個(gè)探頭進(jìn)行頻率分析、靈敏度與分辨力的分析等性能測試?，F(xiàn)從中挑出2個(gè)探頭,以比較說明這次所制作的換能器的性能情況。1)探頭的頻率分析圖3為在挑出2個(gè)探頭上加100V電壓脈沖時(shí)發(fā)生逆壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的振動波形圖,此時(shí)衰減為20dB,圖中Δ為時(shí)間差,即1個(gè)波長的時(shí)間。由圖3(a)可知,1號晶片的頻率為9.62MHz,由圖3(b)可知,2號晶片的頻率為8.93MHz。圖3(c)、(d)為在100V脈沖電壓觸發(fā)下,增益為20dB時(shí),探頭在銅/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)試塊上的一次界面回波圖。由圖3可知,探頭1、2的一次界面波相鄰兩波峰間的時(shí)間差都為112ns,由此可算出兩探頭的一次回波頻率都為8.93MHz。由此可看出,探頭的主頻在8～10MHz的范圍內(nèi),達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。3.2接頭回波與缺陷波的模擬檢測圖4為在100V脈沖電壓觸發(fā)下,增益為20dB時(shí),探頭在檢測銅/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)試塊時(shí)的波形圖。圖4(a)為2號探頭在檢測銅/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)試塊時(shí)的多次界面回波圖。由圖可知,探頭能分辨出上下界面,且能分辨出底面的二次反射波。圖4(b)為1號探頭在檢測銅/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)試塊時(shí),第1次界面波與第2次界面波之間的放大圖。由此可看出探頭的靈敏度較高,分辨力也較高。圖5為在100V脈沖電壓觸發(fā)下,增益為20dB時(shí),探頭在銅/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)試塊上的一次界面回波圖,圖中Δ為時(shí)間差,即1個(gè)波長的時(shí)間。由圖可知,此時(shí)一次界面波的波列為3、4個(gè)周期,后帶幾個(gè)振幅很小的余振,且此時(shí)探頭1、2的1次界面波的峰-峰值都為6.52V。圖6為轉(zhuǎn)子柱塞孔正常波形圖與缺陷波形圖的比較。由圖可看出,在深度為2.51mm處有一缺陷,且缺陷波高為57,能與正常波形區(qū)分,且前后界面波有與缺陷波分開,能保證檢測信息的提取。從以上測試結(jié)果及分析來看,換能器波列較理想,且一次底波峰-峰值高,性能較優(yōu)良,分辨力和靈敏度也較高,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果,能有效地用于超聲成像中對小缺陷的檢測。3.3銅/鋼復(fù)合轉(zhuǎn)子層內(nèi)缺陷頻率用所制作的換能器對銅鋼雙金屬轉(zhuǎn)子復(fù)合層樣品進(jìn)行了檢測,為得到直觀的檢測結(jié)果,運(yùn)用了雙金屬復(fù)合層轉(zhuǎn)子焊接F掃描檢測儀,并得到了工件結(jié)合層處缺陷的頻譜圖。圖7為銅/鋼復(fù)合轉(zhuǎn)子試樣實(shí)物圖。該試樣的銅/鋼復(fù)合層厚為4mm,其中銅層厚為2.36mm。而由以上理論分析可得,超聲波聚焦的焦柱位置剛好在銅和鋼的結(jié)合層處,換能器對結(jié)合層處的信號就最敏感。從實(shí)驗(yàn)可知,用研制的換能器進(jìn)行柱塞孔檢測,能檢測到結(jié)合層的缺陷波,通過軟件對采集回來的信號處理,就能看到銅/鋼復(fù)合層的界面反射波。4小孔徑復(fù)合層質(zhì)量檢測在雙金屬轉(zhuǎn)子復(fù)合層全自動超聲特征成像檢測系統(tǒng)中,因柱塞孔孔