匹配層厚度對(duì)弛豫單晶換能器性能的影響

姜銀方，郭永強(qiáng)，雷玉蘭，陳 波，劉 兵，匡泓錦，陳凱歌

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

匹配層是管道超聲換能器結(jié)構(gòu)中的重要部件，影響著檢測(cè)系統(tǒng)的整體性能[1-2]。壓電超聲換能器的匹配層設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)目的：一是實(shí)現(xiàn)壓電材料和負(fù)載的聲阻抗匹配，提高聲波透射率；二是對(duì)壓電材料進(jìn)行保護(hù)，避免壓電材料發(fā)生碎裂、磨損和腐蝕。目前有很多關(guān)于匹配層制備的研究，但是匹配層方面的理論分析和試驗(yàn)研究較少。本文將理論和試驗(yàn)相結(jié)合，研究了匹配層聲阻抗和厚度對(duì)弛豫單晶換能器的影響。

1 換能器匹配層的理論研究

1.1 匹配層的理論分析

換能器的匹配層主要具有兩個(gè)作用：(1)聲阻抗的匹配，使得聲波能量更多的傳遞到負(fù)載中；(2)保護(hù)壓電晶片不被磨損或腐蝕。當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳到第二種介質(zhì)中時(shí)，在兩種介質(zhì)的邊界處，聲波會(huì)一分為二，一部分聲波透射到第二種介質(zhì)，而另一部分聲波被反射回去[1]。聲強(qiáng)的透射率和反射率，在兩個(gè)界面下即3種介質(zhì)中聲強(qiáng)的透射率為

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其中，R1、R2和R3分別為3種介質(zhì)的聲阻抗，d2為中間層的厚度，λ2為聲波在中間層中的波長(zhǎng)。

1.2 聲強(qiáng)透射率理論研究

根據(jù)式(1)可以得到當(dāng)換能器匹配層阻抗大于5×106Pa·s/m時(shí)，聲強(qiáng)透射率接近于1，并且隨著匹配層阻抗的變化，聲強(qiáng)投射率幾乎沒有變化。因此換能器匹配層材料的聲阻抗要大于5×106Pa·s/m，并且匹配層材料要具有較強(qiáng)的耐磨性，綜合考慮后最終選擇剛玉作為匹配層。

當(dāng)壓電材料為馳豫單晶，負(fù)載為鋼管時(shí)，匹配材料為剛玉時(shí)，根據(jù)式(1)研究聲強(qiáng)透射率隨匹配層厚度和激勵(lì)頻率的變化規(guī)律。下圖1所示為計(jì)算得到的聲強(qiáng)透射率隨匹配層厚度和激勵(lì)頻率的變化曲線。其中馳豫單晶聲阻抗為38×106Pa·s/m，鋼管的聲阻抗為46 .6×106Pa·s/m，剛玉聲阻抗為39.3×106Pa·s/m，聲波在剛玉中的波速為11 600 m/s。

圖1 聲強(qiáng)透射率隨匹配層厚度的變化曲線

圖1所示為聲強(qiáng)透射率隨匹配層厚度和激勵(lì)頻率的變化關(guān)系，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著激勵(lì)頻率和匹配層厚度的不斷增大，聲強(qiáng)透射率也隨著增大，當(dāng)從縱坐標(biāo)的刻度發(fā)現(xiàn)，聲強(qiáng)透射率的增長(zhǎng)較為緩慢。

因此通過上述理論分析可知，在馳豫單晶為壓電材料、鋼管為負(fù)載的情況下，聲強(qiáng)透射率隨著激勵(lì)頻率和匹配厚度的增大而增大。

2 匹配層厚度的試驗(yàn)研究

根據(jù)上述研究可知，剛玉的厚度對(duì)換能器的聲強(qiáng)透射率影響很小，但是上述研究忽略了聲波在介質(zhì)中的衰減，當(dāng)匹配層厚度增大時(shí)，聲波在其中的衰減也會(huì)增大。本文以不同厚度的剛玉作為匹配層進(jìn)行試驗(yàn)，研究匹配層厚度對(duì)回波系數(shù)的影響。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)建立

試驗(yàn)系統(tǒng)的連接如圖2所示，其中試驗(yàn)管道外徑108 mm，壁厚5 mm，長(zhǎng)10.8 m。管道上含有3條焊縫，分別記為焊縫1、焊縫2和焊縫3，3條焊縫距離信號(hào)激勵(lì)源的距離分別為3 m、5 m和7 m。換能器在使用時(shí)要施加一定壓力，太薄的剛玉容易碎裂，而太厚則會(huì)造成信號(hào)衰減嚴(yán)重。因此試驗(yàn)分為3組，剛玉的厚度分別為0 mm(無匹配)、0.25 mm和0.5 mm。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)連接圖

剛玉通過環(huán)氧樹脂膠水粘貼在馳豫單晶負(fù)極，并使用502膠水與管道連接。由于馳豫單晶數(shù)量有限，試驗(yàn)時(shí)采用壓電陶瓷片整環(huán)(16個(gè))激勵(lì)超聲導(dǎo)波，單個(gè)馳豫單晶接收回波信號(hào)。

2.2 匹配層厚度對(duì)回波系數(shù)的影響分析

試驗(yàn)采用函數(shù)發(fā)生器激勵(lì)漢寧窗調(diào)制的正弦信號(hào)，激勵(lì)幅值10 V，激勵(lì)頻率為60～140 kHz，步長(zhǎng)為5 kHz。圖4所示為3種不同厚度的剛玉作為匹配層時(shí)的焊縫回波系數(shù)曲線。

從圖3中3條焊縫的回波系數(shù)曲線中可以看出，3種匹配層下，焊縫回波系數(shù)的變化趨勢(shì)都是先升高再下降，并且都在約120 kHz達(dá)到峰值。在60～70 kHz頻率段內(nèi)，0.5 mm剛玉的回波系數(shù)較大，0.25 mm剛玉次之，無匹配層回波系數(shù)最小。但在此頻率段內(nèi)的回波系數(shù)最大也只有約0.3。在90～140 kHz頻率段內(nèi)，3種匹配層厚度下的回波系數(shù)均有大幅提升，但0.25 mm剛玉匹配層下回波系數(shù)上升明顯，其回波系數(shù)值始終大于0.5 mm剛玉和0 mm剛玉。

圖3 不同匹配層厚度下的焊縫回波系數(shù)

圖4所示分別為60～70 kHz頻率范圍內(nèi)和90～140 kHz范圍內(nèi)，3條焊縫的回波系數(shù)最大值隨匹配層厚度的變化趨勢(shì)。

圖4 焊縫回波系數(shù)隨匹配層厚度的變化

從圖4可以看出，在低頻區(qū)(60～70 kHz)，隨著匹配層厚度的增大，3條焊縫的最大回波系數(shù)也逐漸增大。在高頻區(qū)(90～140 kHz)，隨著匹配層厚度的增大，3條焊縫的最大回波系數(shù)先增大后減小。在不同的頻率區(qū)域內(nèi)，匹配層的厚度對(duì)換能器的影響不同。在低頻區(qū)，由于激勵(lì)導(dǎo)波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能夠透射入負(fù)載的能力較強(qiáng)，并且根據(jù)前文的分析，剛玉厚度的增加會(huì)增大聲強(qiáng)透射率，因此在低頻區(qū)，隨著剛玉厚度的增大，回波系數(shù)越高。在高頻區(qū)，波長(zhǎng)較短，匹配層厚度的增加對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響較小，而聲波在匹配層中的能量衰減影響卻越來越大，因此隨著匹配層厚度的增加，其回波系數(shù)先增大后減小。本文中馳豫單晶換能器的工作頻率較高，因此選擇0.25 mm剛玉作為匹配層材料。綜上所述，匹配層厚度在不同頻率段對(duì)換能器有不同的影響，需要根據(jù)不同的工作情況進(jìn)行分析。

3 結(jié)束語

匹配層影響著超聲檢測(cè)系統(tǒng)的整體性能，研究匹配層的變化對(duì)換能器的影響有助于提高換能器的整體性能。本文通過理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了匹配層聲阻抗和厚度變化對(duì)弛豫單晶換能器的影響，主要結(jié)論如下：(1)研究了不同材料聲阻抗和不同材料厚度作為匹配層時(shí)的聲強(qiáng)透射率變化規(guī)律。結(jié)果表明，聲強(qiáng)透射率隨匹配層聲阻抗的增大而增大，隨匹配層厚度的增大而呈現(xiàn)周期性變化。在匹配層厚度較小(<1 mm)，聲阻抗>5×106Pa·s/m時(shí)，匹配層的材料和厚度對(duì)聲強(qiáng)透射率的影響較?。?2)考慮聲波在匹配層中的衰減，通過試驗(yàn)研究了不同匹配層厚度對(duì)焊縫回波系數(shù)、信噪比和拖尾時(shí)間的影響。結(jié)果表明，在低頻區(qū)，匹配層厚度的增加有益于回波系數(shù)的提高；在高頻區(qū)，回波系數(shù)隨匹配層的增大而先增大后減??；(3)根據(jù)匹配層厚度試驗(yàn)可知，設(shè)計(jì)換能器的匹配層時(shí)，匹配層的厚度需要根據(jù)實(shí)際情況確定，厚度過大或過小都會(huì)減弱換能器性能。