基于声程相似的双金属复合层超声换能器的研究

基于声程相似的双金属复合层超声换能器的研究

0高频聚焦换能器目前，超声检测是检测复合层连接质量最常用的方法。超声换能器(探头)是超声检测中最关键的部件。为提高对双金属复合层结构内孔检测的成像分辨率、减小超声波在复合材料中的衰减、增强超声波的穿透性等,要求用高灵敏度、高分辨力的高频聚焦换能器。用声程相等的理论来设计超声传感器的聚焦,利用耦合剂和工件声速的不同,把内孔铜层作为传感器的聚焦透镜,研制了用于检测铜/钢双金属转子复合层的主频为8～10MHz、直径为6mm的水浸式自聚焦换能器。测试探头的性能,并用探头检测复合结构样品。1声程等同,换能器表面起球计算;一个波采用平面压电陶瓷超声换能器检测双金属复合层内孔,在检测中,由于水和铜的声速不同,使得铜层相当于平面换能器的声透镜,达到了聚焦的效果。图1为超声波聚焦到铜和钢界面的示意图。由于声波波长的有限性,导致了声波的衍射,使会聚镜面的曲率中心和在声轴上的波动焦点不同,即焦点的位置并不能按照光学折射定律来计算,而是应按照声程相等的概念进行计算。声程相等,即将换能器表面看成一系列半径不等的圆环声波带,由于2种介质声速不同,所以经不同路径传播的各波带的声波能同相到达焦点处,或相差1/4周期相位内达到焦点,产生衍射极大,达到聚焦的目的,形成聚焦区附近的聚焦声场分布。按照声程相等概念,得出焦点位置的计算式为式中:d1为压电晶片中心到铜层表面的声程;x为声波经过d1后在钢中折射的声程;d2为压电晶片中点到铜层表面的声程;d为声波经过d2后在钢中折射的声程;c1为水中声速;c2为铜中声速。式(1)左边的声程按照晶片中心发出的声波计算,另一边的声程按照晶片中点处发出的声波计算。针对铜/钢双金属转子检测要设计的超声换能器,由于c1=1500m/s,c2=4400m/s,超声换能器的中心频率为10MHz,晶片的直径为6mm。按照声程相等的概念,代入式(1)可得由此可解得焦距的位置在2.36mm处。若超声波聚焦的焦柱位置刚好在铜和钢的结合层处,换能器对结合层处的信号就最敏感,如果结合处存在分层缺陷,那么这个缺陷信号就会被放大。这样研制出来的换能器对结合层缺陷的信噪比高,符合高灵敏度的要求。2前匹配层的制备课题所采用的是压电超声换能器。对于自聚焦探头其结构形式有压电元件和背衬块及前匹配层。选择适合的压电材料,保证换能器高灵敏度和带宽,选取合适的背衬及声阻抗相近的前匹配层保证换能器的窄脉冲,以获得高的分辨力。2.1换能器中心频率频率的高低对探伤有较大的影响。为提高对缺陷成像的分辨率,要求换能器本身有较高的纵向和横向分辨率。这里假定要求是能检测1mm标准当量以上的缺陷,并能定位缺陷的准确位置。系统的纵向分辨率式中:c为超声波在介质中的纵波声速;N为振荡周期数;f0为换能器中心频率。按照实际制作的换能器,振荡周期N为3～4,铜中的声速4400m/s,要求的纵向分辨率d1≤1mm,可计算出换能器中心频率大于6.6MHz。横向分辨率式中:a为换能器的半径;z为离换能器表面距离。按照铜声速来算,要求dL≤1mm,可计算换能器中心频率在5MHz以上。综合纵、横向分辨率及信号灵敏度的要求,将要制作的换能器中心频率设定为8～10MHz。选用压电材料PbTiO3做厚度方向的振子可得到近似的纯模态。根据频率与压电片的厚度关系式PT材料的纵波声速cl=4240m/s,根据式(5)可得,f=10MHz时,PT压电片厚为0.212mm。2.2声阻抗的确定聚焦探头背衬的设计与制作,关键是成分的配比及制作工艺,须根据探头设计时所选用的晶片、声透镜材料的声阻抗来调制其配方,最终使背衬材料的声阻抗与晶片、声透镜的声阻抗匹配。材料的声阻抗是密度与声速的乘积,通过改变材料密度的办法,可调节其声阻抗。界面声强反射率为式中:R为声强反射率;Z1为压电晶片声阻抗;Z2为背衬声阻抗。由式(6)可知,当Z1=Z2时,声强反射率为0,背衬的吸收效果最好,但这不易达到,实际操作中一般要使背衬的声阻抗达晶片声阻抗的2/3。PT晶片声阻抗为32.8×105g/(cm2·s),因此背衬的声阻抗应达22.5×106kg/(m2·s)。本设计中背衬材料采用环氧钨粉,即用钨粉作为填料掺入环氧树脂,经固化后形成的一种材料。此时环氧钨粉材料的声速约为2500m/s,对于10MHz的声波,其波长为0.25mm,因此背衬的厚度应超过2.5mm。在实际制作中,背衬厚度一般大于3mm。3能源设备的生产和性能测试3.1聚焦换能器设计探头的性能和优劣既取决于探头设计是否合理,又取决于探头的加工与装配技术。因而,探头的加工和装配技术很重要。按照上述方法设计完后,就可制作高频聚焦换能器了。其步骤为:1)对少许晶片进行性能测试,然后综合各项性能挑选出10片较理想,并编好号。在晶片上表面焊上电极引线作正极接发射电路,将延迟块与金属外壳直接相连作接地的负极。3)按设计配置好背衬材料后,可用于灌制背衬。灌制时将晶片及探头需固定好,不能把晶片位置弄歪、压断或压歪电极引线(以防引起短路)。4)加工10个内径为6mm的铜棒,将探头放入其中,然后用蜡封住避免它受潮及短路,整个探头的制作过程就结束了。3.2更换换能器的性能测试3.2.1设备TektronixTDS3032b型示波器5077PR型信号发生器,耦合剂为水,铜/钢复合结构试块,如图2所示。3.2.2探针回波频率实验中,分别对10个探头进行频率分析、灵敏度与分辨力的分析等性能测试。现从中挑出2个探头,以比较说明这次所制作的换能器的性能情况。1)探头的频率分析图3为在挑出2个探头上加100V电压脉冲时发生逆压电效应所产生的振动波形图,此时衰减为20dB,图中Δ为时间差,即1个波长的时间。由图3(a)可知,1号晶片的频率为9.62MHz,由图3(b)可知,2号晶片的频率为8.93MHz。图3(c)、(d)为在100V脉冲电压触发下,增益为20dB时,探头在铜/钢复合结构试块上的一次界面回波图。由图3可知,探头1、2的一次界面波相邻两波峰间的时间差都为112ns,由此可算出两探头的一次回波频率都为8.93MHz。由此可看出,探头的主频在8～10MHz的范围内,达到了设计的要求。3.2接头回波与缺陷波的模拟检测图4为在100V脉冲电压触发下,增益为20dB时,探头在检测铜/钢复合结构试块时的波形图。图4(a)为2号探头在检测铜/钢复合结构试块时的多次界面回波图。由图可知,探头能分辨出上下界面,且能分辨出底面的二次反射波。图4(b)为1号探头在检测铜/钢复合结构试块时,第1次界面波与第2次界面波之间的放大图。由此可看出探头的灵敏度较高,分辨力也较高。图5为在100V脉冲电压触发下,增益为20dB时,探头在铜/钢复合结构试块上的一次界面回波图,图中Δ为时间差,即1个波长的时间。由图可知,此时一次界面波的波列为3、4个周期,后带几个振幅很小的余振,且此时探头1、2的1次界面波的峰-峰值都为6.52V。图6为转子柱塞孔正常波形图与缺陷波形图的比较。由图可看出,在深度为2.51mm处有一缺陷,且缺陷波高为57,能与正常波形区分,且前后界面波有与缺陷波分开,能保证检测信息的提取。从以上测试结果及分析来看,换能器波列较理想,且一次底波峰-峰值高,性能较优良,分辨力和灵敏度也较高,基本达到了设计的预期效果,能有效地用于超声成像中对小缺陷的检测。3.3铜/钢复合转子层内缺陷频率用所制作的换能器对铜钢双金属转子复合层样品进行了检测,为得到直观的检测结果,运用了双金属复合层转子焊接F扫描检测仪,并得到了工件结合层处缺陷的频谱图。图7为铜/钢复合转子试样实物图。该试样的铜/钢复合层厚为4mm,其中铜层厚为2.36mm。而由以上理论分析可得,超声波聚焦的焦柱位置刚好在铜和钢的结合层处,换能器对结合层处的信号就最敏感。从实验可知,用研制的换能器进行柱塞孔检测,能检测到结合层的缺陷波,通过软件对采集回来的信号处理,就能看到铜/钢复合层的界面反射波。4小孔径复合层质量检测在双金属转子复合层全自动超声特征成像检测系统中,因柱塞孔孔