Page 98 - 无损检测2022年第一期

压电陶瓷材料及压电超声换能器的无损检测应用

DOI : 10.11973 / ws j c202201014

材料表面缺陷检测用空气耦合超声

换能器的研制

张 浩, 赵 旭, 曾 涛

( 上海材料研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室, 上海 200437 )
摘 要:为解决在材料表面缺陷检测用空气耦合超声换能器的研制中, 压电陶瓷材料与空气

·
之间存在的巨大阻抗失配问题, 将空心玻璃微珠和环氧树脂进行复合, 制备出密度为 550k g m -3 ,

-1 -1 的低声阻抗、
声速为2300m · s , 声阻抗为1.3MRa y l , 声衰减系数( 2.25MHz下) 为344dB · m
低衰减的匹配层材料, 并采用 1 / 4 波长匹配原理进行换能器设计。在此基础上制作空气耦合超声
换能器, 对其进行导纳谱测试和回波信号测试分析。结果表明, 研制出的空气耦合超声换能器中心
频率为 204kHz , -6dB 相对带宽为 21.0% , 具有较好的灵敏度和带宽。

关键词:空气耦合超声换能器; 阻抗匹配; 空心玻璃微珠; 环氧树脂

中图分类号: TB552 ; TG115.28 文献标志码: A 文章编号: 1000-6656 ( 2022 ) 01-0060-03

Develo p mentofair-cou p ledultrasonictransducerformaterialsurfacedefectdetection

ZHANGHao , ZHAOXu , ZENGTao

( Shan g haiKe yLaborator yofEn g ineerin g MaterialsA pp licationandEvaluation ,

Shan g haiResearchInstituteofMaterials , Shan g hai200437 , China )

Abstract : Inordertosolvethehu g eim p edancemismatchp roblembetweenthe p iezoelectricceramicmaterialand

theairinthedevelo p mentofair-cou p ledultrasonictransducerfor materialsurfacedefectdetection , thisp a p er

selectedhollowg lassbeadsande p ox y resinforcom p oundin g .At yp eoflowacousticim p edanceandlowattenuation

-3 -1
matchin g la y ermaterialwithitsdensit yof550k g · m , soundvelocit yof2300 m · s , acousticim p edanceof

-1
1.3 MRa y l , and acoustic attenuation coefficient of 344 dB · m at 2.25 MHz was p re p ared , and the

q uarter-wavelen g thmatchin gp rinci p le wasusedfortransducerdesi g n.Onthisbasis , anair-cou p ledultrasonic

transducerwasfabricated , andtheadmittances p ectrumtestandechosi g naltestanal y siswere p erformedonit.The

resultsshowthatsodevelo p edair-cou p ledtransducerhasacenterfre q uenc yof204kHzandrelativebandwidthof

-6dBis21.0% withbettersensitivit yandbandwidth.

Ke ywords : air-cou p ledultrasonictransducer ; im p edancematchin g ; hollowg lassbead ; e p ox y resin
空气耦合超声无损检测技术是一种以空气为传 好的应用前景 [ 1-3 ] 。空气中的声速远小于其他材料
输介质的新型无损检测技术, 具有非接触、 非侵入、 中的声速, 在相同的工作频率下, 超声波在空气中具
完全无损的特点, 在复合材料检测、 纺织品检测、 食 有更短的波长, 使得应用空气耦合超声无损检测技
品及药品检测、 表面特性分析和成像等领域有着良 术进行材料表面缺陷检测时具有更高的精度。
超声换能器主要用于发射和接收超声波信号, 实
现电声转换, 换能器性能的好坏将直接影响材料检测
收稿日期: 2021-06-23
的准确度 [ 4 ] 。相对于静电式超声换能器, 压电超声换
基金项目: 上海材料研究所技术创新项目( 21181302 )
作者简介: 张 浩( 1990- ), 男, 硕士, 工程师, 主要从事超声换 能器具有机电转换效率高、 声功率输出大、 对环境适
能器方向的研究工作 应性强、 结构紧凑等优点, 因此应用更为广泛 [ 5 ] 。
目前压电式空气耦合超声换能器制作的主要困
通信作者: 张 浩, zhan g hao324419@126.com
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2022 年 第 44 卷 第 1 期

无损检测