Page 99 - 无损检测2022年第一期

张 浩, 等:

材料表面缺陷检测用空气耦合超声换能器的研制

难在于压电材料声阻抗( 约 30 MRa y l ) 与空气声阻

抗( 约425Ra y l ) 之间的严重失配引起的换能器激励

的超声波只有少部分能量传导到空气 中 [ 1 , 6-9 ] 。为
解决这个问题, 应选用低声阻抗的匹配层材料来实
现阻抗过 渡, 通 过 匹 配 技 术 来 提 高 换 能 器 的 灵 敏
度 [ 10 ] 。对于单匹配层结构的空气耦合换能器, 匹配

层的理论最佳声阻抗为 0.11 MRa y l左右, 但在现
实生活中很难得到加工性能和声阻抗均满足要求的
图 1 空心玻璃微珠和环氧树脂制成的匹配层试块外观
材料。较为常用的匹配层材料有多孔聚丙烯、 聚氨
酯、 硅橡胶和硅气凝胶等, 这些材料具有高孔隙率和 样厚度) 的被测试样, 可用比较多次脉冲反射回波高
低声阻抗的特性 [ 11-13 ] , 同时具有衰减大、 难加工、 无法 度系数的方法来测定其衰减系数, 计算式为
(/
/
黏接、 不耐压等缺点, 因此并不是首先的 匹配 层 材 20l gV m V n -20l gn m )

α= ( 1 )
料 [ 5 ] 。 2 ( n-m ) t
为试样第
笔者选用空心玻璃微珠和环氧树脂复合材料作 式中: α 为材料中单声程的衰减系数; V m
为试样第n 次底面回波幅值。
m 次底面回波幅值; V n
为声匹配层, 采用 1 / 4 波长匹配原理制作了 200kHz
通过多次试验测量空心玻璃微珠和环氧树脂
中心频率的单匹配层空气耦合超声换能器样品。其
复合材料 样 品 的 密 度、 声 速 和 衰 减 系 数。 目 前 实
导纳谱测试结果满足单匹配层匹配原理, 回波测试结

·
验室得到性能稳定的材料密度为 550k g m -3 , 声
果显示其具有较好的带宽和灵敏度。

速为 2300m · s , 声阻抗为1.3MRa y l , 衰减系数

-1
1 匹配层材料制备与测试
( 2.25 MHz下) 为 344dB · m -1 。
1.1 匹配层制备
空心玻璃微珠是一种粒径均匀、 颗粒微小、 密度 2 换能器制作及测试
低、 中空的圆球状玻璃材料粉末, 具有较低的声阻抗 选用实验室研制的空心玻璃微珠和环氧树脂复
特性。商用的玻璃微珠粒径为 1~500 μ m , 材料的 合材料作为匹配层材料, 采用 1 / 4 波长匹配原理制

·
密度为 100~600k g m -3 , 具有质量小, 导 热系数 作了 200kHz中心频率的单匹配层结构的空气耦
低, 分散性、 流动性、 稳定性好等优点, 是一种较为理 合超声换能器, 实物如图 2 所示。
想的超轻质填充材料。 E51 环氧树脂黏度低、 热稳
定性好、 耐高温、 耐高电压、 抗漏电, 对碳纤维和玻璃
纤维等材料具有优异的 润 湿 能 力。文 章 选 用 E51
环氧树脂为基体, 空心玻璃微珠为主填料, 邻苯二甲
酸二辛酯增塑剂等为辅料, 通过调节玻璃微珠的直
径与填充率, 制备满足空气耦合式换能器需求的匹
配层材料。采用浇铸法制备匹配层材料, 将一定配
比的填料与基体搅拌均匀后置于恒温箱中静置待固
图 2 空气耦合式超声换能器实物
化 [ 14-15 ] 。制备的试块外观如图 1 所示。

1.2 匹配层材料声学参数测量 使用 A g ilentE4990A 型精密阻抗分析仪测试
匹配层材料的声学参数主要包括密度、 声速、 声 换能器的电学性能, 得到换能器在空气中的输入导
阻抗和声衰减系数等。声速可通过测量试件的长度 纳曲线( 见图 3 )。从图 3 可以看出, 换能器的第一

及在此长度内声波传播所需要的声时计算得到。文 阶谐振频率为 190kHz , 对应电导为 2.46mS , 第二

章使用 Panametrics5072PR 信号源连接一个频率 阶谐振频率为 225kHz , 对应电导为 4.39mS , 满足

为 2.25MHz的纵波换能器探头, 通过脉冲回波法 单匹配层的匹配原理。
得到的第一次和第二次底面回波的时间差来计算材 进一步进行了以亚克力板为反射体的换能器
脉冲回波方式的空气耦合测试。使用的信号源型
料的纵波声速。

对于 2 N <t≤200mm ( N 为近场长度, t 为试 号为 Panametrics5072PR 、 示波器型号为 Tektronix
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2022 年 第 44 卷 第 1 期
无损检测