姜銀方，郭永強，雷玉蘭，陳 波，劉 兵，匡泓錦，陳凱歌

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

匹配層是管道超聲換能器結構中的重要部件，影響著檢測系統(tǒng)的整體性能[1-2]。壓電超聲換能器的匹配層設計主要有兩個目的：一是實現(xiàn)壓電材料和負載的聲阻抗匹配，提高聲波透射率；二是對壓電材料進行保護，避免壓電材料發(fā)生碎裂、磨損和腐蝕。目前有很多關于匹配層制備的研究，但是匹配層方面的理論分析和試驗研究較少。本文將理論和試驗相結合，研究了匹配層聲阻抗和厚度對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作用：(1)聲阻抗的匹配，使得聲波能量更多的傳遞到負載中；(2)保護壓電晶片不被磨損或腐蝕。當聲波從一種介質傳到第二種介質中時，在兩種介質的邊界處，聲波會一分為二，一部分聲波透射到第二種介質，而另一部分聲波被反射回去[1]。聲強的透射率和反射率，在兩個界面下即3種介質中聲強的透射率為

(1)

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

1.2 聲強透射率理論研究

根據式(1)可以得到當換能器匹配層阻抗大于5×106Pa·s/m時，聲強透射率接近于1，并且隨著匹配層阻抗的變化，聲強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的耐磨性，綜合考慮后最終選擇剛玉作為匹配層。

當壓電材料為馳豫單晶，負載為鋼管時，匹配材料為剛玉時，根據式(1)研究聲強透射率隨匹配層厚度和激勵頻率的變化規(guī)律。下圖1所示為計算得到的聲強透射率隨匹配層厚度和激勵頻率的變化曲線。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 聲強透射率隨匹配層厚度的變化曲線

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

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

2 匹配層厚度的試驗研究

根據上述研究可知，剛玉的厚度對換能器的聲強透射率影響很小，但是上述研究忽略了聲波在介質中的衰減，當匹配層厚度增大時，聲波在其中的衰減也會增大。本文以不同厚度的剛玉作為匹配層進行試驗，研究匹配層厚度對回波系數的影響。

2.1 試驗系統(tǒng)建立

試驗系統(tǒng)的連接如圖2所示，其中試驗管道外徑108 mm，壁厚5 mm，長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條焊縫距離信號激勵源的距離分別為3 m、5 m和7 m。換能器在使用時要施加一定壓力，太薄的剛玉容易碎裂，而太厚則會造成信號衰減嚴重。因此試驗分為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極，并使用502膠水與管道連接。由于馳豫單晶數量有限，試驗時采用壓電陶瓷片整環(huán)(16個)激勵超聲導波，單個馳豫單晶接收回波信號。

2.2 匹配層厚度對回波系數的影響分析

試驗采用函數發(fā)生器激勵漢寧窗調制的正弦信號，激勵幅值10 V，激勵頻率為60～140 kHz，步長為5 kHz。圖4所示為3種不同厚度的剛玉作為匹配層時的焊縫回波系數曲線。

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

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

圖4 焊縫回波系數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先增大后減小。在不同的頻率區(qū)域內，匹配層的厚度對換能器的影響不同。在低頻區(qū)，由于激勵導波的波長較長，能夠透射入負載的能力較強，并且根據前文的分析，剛玉厚度的增加會增大聲強透射率，因此在低頻區(qū)，隨著剛玉厚度的增大，回波系數越高。在高頻區(qū)，波長較短，匹配層厚度的增加對聲強透射率的影響較小，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換能器有不同的影響，需要根據不同的工作情況進行分析。

3 結束語

匹配層影響著超聲檢測系統(tǒng)的整體性能，研究匹配層的變化對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相結合的方法研究了匹配層聲阻抗和厚度變化對弛豫單晶換能器的影響，主要結論如下：(1)研究了不同材料聲阻抗和不同材料厚度作為匹配層時的聲強透射率變化規(guī)律。結果表明，聲強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，匹配層的材料和厚度對聲強透射率的影響較??；(2)考慮聲波在匹配層中的衰減，通過試驗研究了不同匹配層厚度對焊縫回波系數、信噪比和拖尾時間的影響。結果表明，在低頻區(qū)，匹配層厚度的增加有益于回波系數的提高；在高頻區(qū)，回波系數隨匹配層的增大而先增大后減?。?3)根據匹配層厚度試驗可知，設計換能器的匹配層時，匹配層的厚度需要根據實際情況確定，厚度過大或過小都會減弱換能器性能。