徐敬崗

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 概述

從理論上講，蘭姆波的激發(fā)方式有板表面激勵(lì)和在板的一端激勵(lì)兩大類。工程檢測(cè)中往往采用前一類，因此本文中蘭姆波超聲換能器的制作以該類激發(fā)方式為例進(jìn)行探討。超聲檢測(cè)中激發(fā)蘭姆波的換能器一般有兩種，一種是梳狀換能器，另一種是楔形換能器。梳狀換能器是由縱波換能器粘貼在一個(gè)梳狀結(jié)構(gòu)上形成，讓梳狀結(jié)構(gòu)的周期間隔等于欲激發(fā)蘭姆波的波長(zhǎng)即可。還有類似表面波換能器的梳狀結(jié)構(gòu)，它將金屬電極制成叉指狀，在電信號(hào)的激勵(lì)下，相臨的電極產(chǎn)生相反的振動(dòng)，若將此結(jié)構(gòu)粘貼在固體板表面，也可激發(fā)相應(yīng)的蘭姆波模式。應(yīng)當(dāng)注意的是，此結(jié)構(gòu)電極間距離等于欲激發(fā)蘭姆波波長(zhǎng)的一半，即半個(gè)波長(zhǎng)。楔形換能器由一縱波換能器貼在一個(gè)楔塊上構(gòu)成，當(dāng)發(fā)射的超聲波傳到楔塊與被測(cè)板交界處時(shí)，可在固體板中激發(fā)蘭姆波。此種類型的換能器實(shí)用性很強(qiáng)，應(yīng)用范圍也比較廣，本課題中研制的蘭姆波換能器均為此類楔形換能器。

蘭姆波換能器研制的技術(shù)問(wèn)題主要包括激勵(lì)角度的確定、斜楔材料的選用和晶片尺寸與形狀的選擇。

1 蘭姆波換能器的參數(shù)選擇

1．1 激勵(lì)角的確定

換能器的激發(fā)角度根據(jù)蘭姆波檢驗(yàn)由模式來(lái)確定，具體做法是根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)條件（頻率、板厚）所對(duì)應(yīng)的該模式的相速度Cp和斜楔材料的縱波傳播速度Cl，利用下述斯涅爾（Snell）折射公式進(jìn)行計(jì)算：

顯然，由于蘭姆波各模式的相速度是頻散的，因此在不同頻率點(diǎn)激發(fā)不同模式蘭姆波的入射角都是不同的。激發(fā)蘭姆波的激勵(lì)角變化范圍很大，在具體工作中要仔細(xì)分析，根據(jù)被測(cè)件相速度頻散曲線與斜楔材料縱波聲速可算出激勵(lì)角。入射角應(yīng)選擇在相速度曲線上相速度變化不太大的部位，這是由于被檢板材的厚度都有一定的公差，探頭的入射角也會(huì)有誤差或因磨損而造成入射角的改變。如果選在曲線很陡的部位，則f d的少量變化或入射角的少量改變就可能破壞正常的相位關(guān)系，從而造成靈敏度的急劇下降，但也不宜選擇曲線上太平緩的部位，在此部位許多模式的曲線很靠近，容易產(chǎn)生波形混雜。

準(zhǔn)確的入射角度是激發(fā)蘭姆波的必要條件，探頭入射角精確，不僅可以避免蘭姆波模數(shù)激勵(lì)與識(shí)別的錯(cuò)誤，而且可以提高蘭姆波的能量。有時(shí)激發(fā)蘭姆波的入射角需要很大，無(wú)損檢測(cè)工作中大的入射角容易激發(fā)出表面波，但這只是對(duì)半無(wú)限空間而言的。若板材較?。ㄏ鄬?duì)于入射超聲波波長(zhǎng)），則板中一般以蘭姆波為主。需指出的是，在實(shí)際工作中斜楔的角度嚴(yán)格按理論公式設(shè)置可以得到能量相對(duì)較大（或較純）的所需模式，其他模式蘭姆波同樣可能被激發(fā)，只是能量會(huì)相對(duì)小些。

1．2 斜楔材料的選用

若以最常用的Cl=2730m/s的有機(jī)玻璃作為換能器斜楔材料，則對(duì)于橫波速度小于3000m/s的材料（包括某些鋼板在內(nèi)），在頻厚積取值較低（f d＜=3MHz·mm）條件下，A0模的相速度Cp小于斜楔材料的縱波Cl，從而無(wú)法激勵(lì)產(chǎn)生A0模。因此，需要尋找聲速低、聲衰減小且在金屬薄板界面上聲透射率較大的材料制作換能器斜楔。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，聲速分別為2350m/s和1900m/s的聚楓和聚乙烯材料可滿足上述要求。本課題中選用了聲速為2350m/s的聚楓作為蘭姆波換能器的斜楔材料。

1．3 晶片尺寸與形狀的選擇

壓電晶片是換能器的核心元件，它的作用是發(fā)射和接收超聲波。晶片由壓電單晶體按一定方式和方向切割而成或由壓電陶瓷經(jīng)極化制成。晶片尺寸選取,應(yīng)能滿足一次波有足夠的探傷靈敏度,以使小缺陷不至于漏檢,所以晶片尺寸的選取要恰到好處。經(jīng)仔細(xì)斟酌,本課題中選取了尺寸為20×20（mm）規(guī)格的PZT（鋯鈦酸鉛）壓電陶瓷晶片作為蘭姆波換能器的壓電晶片。

2 總結(jié)

蘭姆波超聲換能器的制作具有一定的針對(duì)性，對(duì)于不同材質(zhì)、不同型號(hào)的金屬薄板，其相應(yīng)蘭姆波超聲換能器的技術(shù)參數(shù)都會(huì)有所不同，應(yīng)根據(jù)具體情況正確選擇。

［1］李家偉,陳積懋．無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社,2002,1．

［2］劉鎮(zhèn)清．無(wú)損檢測(cè)中的超聲蘭姆波[J]．無(wú)損檢測(cè),1999,21(9)：409-423．

［3］袁易全．超聲換能器[M]．南京大學(xué)出版社,1992,9．